texto de la monografia final
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DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION DE CALIDAD COMERCIAL PARA TEMPLAR ACEROS DE MEDIO CARBONO Y BAJAMENTE ALEADOS,
QUE UTILIZA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO AGUA.
DANIEL OLIVA DIAZ
EDGARDO L. FERNANDEZ TAPIA
UNIVERSIDAD TECNOLOGICADE BOLIVAR FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIAS CARTAGENA DE INDIAS
2004
DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION DE CALIDAD COMERCIAL PARA TEMPLAR ACEROS DE MEDIO CARBONO Y BAJAMENTE ALEADOS,
QUE UTILIZA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO AGUA.
DANIEL OLIVA DIAZ
EDGARDO L. FERNANDEZ TAPIA
Trabajo de investigación sobre tratamientos térmicos de aceros de medio carbono
y bajamente aleados, presentado como requisito para optar al titulo de Ingeniero
Mecánico.
Asesor
JUAN FAJARDO CUADROS
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD TECNOLOGICADE BOLIVAR FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIAS CARTAGENA DE INDIAS
2004
AUTORIZACION
Cartagena de Indias, D.T.C.H.,
Yo Daniel Oliva Díaz, identificado con numero de cedula de ciudadanía 9’068.950
expedida en Cartagena Bol., autorizo a la Universidad Tecnológica de Bolívar para
hacer uso de mi trabajo de investigación y publicarlo en el catalogo online de la
biblioteca.
DANIEL OLIVA DIAZ
AUTORIZACION
Cartagena de Indias, D.T.C.H.,
Yo Edgardo Luis Fernández Tapia, identificado con numero de cedula de
ciudadanía 77´195.248 expedida en Valledupar Cesar., autorizo a la Universidad
Tecnológica de Bolívar para hacer uso de mi trabajo de investigación y publicarlo
en el catalogo online de la biblioteca.
EDGARDO LUIS FERNANDEZ TAPIA
Cartagena de Indias D.C. y T., Mayo 28 de 2004
Señores:
U.T.B. Facultad de Ingeniería Mecánica.
Respetados señores:
Comedidamente me permito presentar a ustedes para su estudio, consideración y
aprobación la monografía “DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION DE
CALIDAD COMERCIAL PARA TEMPLAR ACEROS DE MEDIO CARBONO Y
BAJAMENTE ALEADOS, QUE UTILIZA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO
AGUA,” realizada por los estudiantes, Daniel Oliva Díaz y Edgardo Luis
Fernández Tapia como requisito para optar al titulo de Ingenieros Mecánicos.
Atentamente,
JUAN FAJARDO CUADROS
Asesor del proyecto
Cartagena de Indias D.C. y T., Mayo 28 de 2004
Señores:
COMITÉ DE EVALUACION Facultad de Ingeniería Mecánica
Universidad Tecnológica de Bolívar
Ciudad
Estimados Señores:
De la manera más cordial, nos permitimos presentar a ustedes para su estudio,
consideración y aprobación de trabajo de investigación “ DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION DE CALIDAD COMERCIAL PARA TEMPLAR ACEROS DE MEDIO CARBONO Y BAJAMENTE ALEADOS, QUE UTILIZA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO AGUA”, trabajo de investigación presentado
para optar al titulo de Ingeniero Mecánico.
Esperamos que el proyecto sea de su total agrado y llene las expectativas del
lector que la frecuente.
Cordialmente,
DANIEL OLIVA DIAZ EDGARDO L. FERNANDEZ T.
Nota de aceptación
Firma del Presidente del Jurado
Firma del Jurado
Firma del Jurado
Cartagena de indias, 28 de Mayo de 2004
RESUMEN
Con la finalidad de mejorar las propiedades físicas y mecánicas de los aceros de
medio carbono y bajamente aliados se realiza un temple, el cual debe llevarse a
cabo bajo ciertas condiciones, como es el medio enfriante, el gradiente de
temperatura y la velocidad de enfriamiento para producir el cambio de estructura
deseado; la forma de conseguir tal fin es el diseño un sistema hidráulico-
refrigerado que permitirá controlar las variables en mención.
En el proceso de diseño del sistema, se aplicaron la bases teóricas de soporte
para los cálculos pertinentes en la ejecución del proyecto, como también la
selección de los equipos del mismo. Se pusieron en practica los conocimientos
adquiridos durante el pregrado en el área de las térmicas, específicamente las
termodinámicas, refrigeración y transferencia de calor, y mecánica de los fluidos;
además, como soporte para el diseño mencionado se utilizó la información
suministrada en el minor en Diseño Mecánico, en especial los softwares de Solid
Edge, ANSYS e Hidráulica.
El diseño del sistema hidráulico permite la recirculación del agua logrando una
convección forzada, que incrementa la transferencia de calor del material hacia el
medio convectivo, contribuyendo en gran medida a la consecución del objetivo
principal del sistema, que es retirar en el menor tiempo posible el calor del
elemento.
Con la finalidad de aumentar el rango de aplicabilidad del sistema, se
seleccionaron componentes que permiten modificar las variables de
funcionamiento utilizando un compresor multietapa (sistema de refrigeración) y un
caudalimetro (sistema hidráulico), que en conjunto aumentan o disminuyen la
capacidad de refrigeración y el caudal: esto hace posible templar piezas con
menor o mayor masa, partiendo de los treinta kilogramos de acero de medio
carbono y baja aleación.
CONTENIDO
INTRODUCCION
CAPITULO I 1. CONCEPTO BASICOS DE REFRIGERACION 1.1 INTRODUCCION
1.2 DEFINICIONES
1.2.1 Refrigeración
1.2.2 Refrigeración Mecánica
1.2.3 Frío
1.2.4 Calor
1.2.5 Ashrae
1.2.6 Acca
1.2.7 Retrofit
1.2.8 Termodinámica
1.2.9 Calor Sensible y Latente
1.3 REFRIGERANTE
1.3.1 Antecedentes Históricos
1.3.2 Propiedades
1.3.2.1 Eficiencia
1.3.3 Efecto de la Humedad
1.3.4 Inflamabilidad y Explosibilidad
1.3.5 Toxicidad
1.3.5.1 Refrigerantes del Grupo 1
1.3.5.2 Refrigerantes del Grupo 2
1.3.5.3 Refrigerantes del Grupo 3
1.3.6 Medio Ambiente
1.3.6.1 Que refrigerantes sustituyen a los CFC’s?
1.3.7 Los Hidroclorofluorocarburo
1.3.8 Los Hidroflurocarburos
1.3.9 Conversión Retrofit
CAPITULO II 2. TRATAMIENTOS TERMICOS, PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO Y CALCULOS DEL SISTEMA 2.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS
2.1.1 Introducción
2.1.2 Microestructuras de los Aceros
2.1.2.1 Ferrita
2.1.2.2 Cementita
2.1.2.3 Perlita
2.1.2.4 Austenita
2.1.2.5 Martensita
2.1.2.6 Troostita
2.1.2.7 Sorbita
2.1.2.8 Bainita
2.1.3 Aceros al Carbono
2.1.4 Tratamientos Térmicos
2.1.4.1 Endurecimiento del Acero
2.1.4.2 Temple (Revenido)
2.1.4.3 Recocido
2.1.4.4 Cementado
2.1.4.4.1 Carburización por Empaquetado
2.1.4.4.2 Carburización en Baño Liquido
2.1.4.4.3 Carburización con Gas
2.1.4.5 Carburado, Cianurazo y Nitrurado
2.2 PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO
2.2.1 Diagrama TI y las Curvas de Enfriamiento
2.2.1.1 Procesos de Endurecimiento
2.2.1.2 Diagrama de Transformación Isotérmica (TI) o de Tiempo-
Temperatura-Transformación (TTT)
2.2.1.3 Productos de Transformación
2.2.1.4 Curvas de Enfriamiento
2.2.1.5 Tasa de Enfriamiento Critica
2.2.2 Factor de Enfriamiento o Temple
2.3 CALCULOS DEL SISTEMA
2.3.1 Carga Térmica
2.3.2 Cargas Térmica en Paredes
2.3.3 Sistema Hidráulico
2.3.3.1 Perdidas Menores
2.3.3.2 Potencia de la Bomba
2.3.3.3 Velocidad en la Flauta
2.3.3.3.1 Tiempo de cambio total del agua
2.3.3.3.2 Software de Hidráulica de Tubería
CAPITULO III 3. CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO. 3.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO DE REFRIGERACION
3.1.1 Componentes
3.1.2 Dimensiones
3.1.3 Características técnicas 3.1.4 Capacidades y consumo de energía
3.1.5 Selección del tamaño del equipo
CAPITULO IV. 4. ANALISIS DE ESTRUCTURA (ANSYS).
4.1 FUERZA HIDROSTATICA SOBRE LAS PAREDES DEL RECIPIENTE. 4.1.1 Calculo de la presión el las paredes del recipiente 4.2 ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL RECIPIENTE MEDIANTE EL
SOFTWARE ANSYS 5.5
4.2.1 Enmallado
4.2.2 Aplicación de cargas
4.2.3 Solución
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Temperaturas para Templar Acero Endurecido.
Tabla 2. Acero para Temple y Revenido.
Tabla 3. Capacidades y consumo de energía. Tabla 4. Datos para el cálculo del centro de gravedad.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama Fe-C.
Figura 2. Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita.
Figura 3. Microestructura del acero 1%, red blanca de cementita.
Figura 4. Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita.
Figura 5. Microestructura de la austenita.
Figura 6. Microestructura de la sartencita.
Figura 7. Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la
microestructura del acero para comparación a 100x.
Figura 8. Temperaturas para endurecidos de metales.
Figura 9. Diagrama que muestra las temperaturas de temple (rango de
autenización).
Figura 10. Método para graficar un diagrama TTT.
Figura 11. El diagrama TTT de un acero con 0.89% de C.
Figura 12. La temperatura MS.
Figura 13. Diagrama TTT del acero SAE 1095.
Figura 14. La curva de enfriamiento para temple en salmuera del acero al carbono
SAE 1008.
Figura 15. La curva de enfriamiento para el temple en salmuera del acero Mn
modificado 1034.
Figura 16. La curva de enfriamiento de un acero SAE 4140.
Figura 17. Las curvas de enfriamiento interno y externo de la misma parte.
Figura 18. Diseño de un dado de conformado agrietado.
Figura 19. Diagrama del factor de enfriamiento o temple.
Figura 20. Diagrama del factor de enfriamiento o temple.
Figura 21. Diagrama de refrigeración e hidráulico.
Figura 22. Recipiente de agua.
Figura 23. Diagrama de flujo de calor a través de las paredes y tapa superior.
Figura 24. Diagrama hidráulico.
Figura 25. Circuito hidráulico.
Figura 26. Diagrama perimetral de la flauta.
Figura 27. Análisis de la geometría del recipiente.
Figura 28. Cuadro comparativo de variables.
Figura 29. Logotipo del software de hidráulica de tuberías.
Figura 30. Datos de altas perdidas menores. Diseño de tuberías simples.
Figura 31. Resultados de altas perdidas menores. Diseño de tuberías simples.
Figura 32. Datos potencia de tuberías simples.
Figura 33. Resultados de potencia de tuberías simples.
Figura 34. Enfriador de agua E15AE.
Figura 35. Cotas del equipo.
Figura 36. Dimensiones del equipo.
Figura 37. Características Técnicas. Figura 38. Fuerzas en las paredes del recipiente
Figura 39. Centroides de figuras básicas en hidráulicas
Figura 40. Geometría de la pared del recipiente
Figura 41. Triangulo representativo Figura 42. Elemento importado de Solid Edge.
Figura 43. Enmallado de la geometría.
Figura 44. Aplicación de presión en las paredes.
Figura 45. Esfuerzos Principales en el eje X.
Figura 46. Esfuerzos Principales en el eje Y.
Figura 47. Esfuerzos principales en el eje Z.
INTRODUCCION
Desde la revolución industrial, el hombre ha procurado obtener el mayor
provecho de los materiales, en especial del acero; modificando sus propiedades
físicas por medio de procesos como el temple, que consiste en elevar la
temperatura del material y luego diminuirla rápidamente. Es muy difícil concebir
un escenario de la vida urbana o rural donde no haya al menos un objeto de
acero. Hay piezas de acero en nuestra ropa, en nuestras casas, en las calles y en
el campo y no son pocas. Si alguien pidiera hacer un libro sobre los metales,
donde el número de páginas asignado a cada aleación fuera proporcional al
volumen total producido, más del 95% tendría que referirse a los aceros. Aun si se
incluyera al resto de los materiales que empleamos, como los cerámicos, los
polímeros, las maderas, etc., la presencia del acero tendría que ser grande.
La Universidad Tecnológica de Bolívar, no cuenta con un Sistema de enfriamiento
para temple de materiales para Tratamientos Térmicos, con el fin de hacer el
proceso continuo, en el sentido que introducida la pieza en el elemento de
Transmisión de Calor, el ∆ de temperatura esté en un rango óptimo, lo cual no
ocurre con el sistema existente; con esta situación el proceso para futuros trabajos
de la Universidad y proyección hacia las Empresas, se hará lento e ineficiente
debido a que no se alcanza los niveles de producción para ser competitiva.
Actualmente este proceso se realiza con muy baja eficiencia, puesto que el fluido
(agua) utilizado para disminuir la temperatura de las piezas es generalmente
desechada. Para optimizar el proceso y cumplir con normas ambientales, se hace
necesario que el agua sea reutilizada; es decir, que recobre su temperatura inicial
y se haga circular de nuevo por la zona de alta temperatura, en el menor tiempo
posible.
Al comenzar esta investigación, se pretende dar una visión general sobre el
temple de aceros de medio carbono y bajamente aleados, partiendo de la practica
del mismo en agua, analizando el sistema con que cuenta la Universidad
Tecnología para esta actividad, apreciando el proceso y así tener una
concepción clara de la proyección el trabajo; para ello se ha programado una
serie de actividades sobre la conceptualización del proceso de temple del acero ,
refrigeración mecánica y los elementos constitivos del sistema. En segunda
instancia se hallarán la bases teóricas de soporte para los cálculos pertinentes en
la ejecución del proyecto, como también la selección de los equipos del mismo.
La expectativa del trabajo no es solo la Monografía, sino investigar profundamente
y optimizar el proceso para hacerlo confiáble en un alto porcentaje, es decir,
patentarlo.
CAPITULO I
1. CONCEPTO BASICOS DE REFRIGERACION 1.1 INTRODUCCION En el transcurso de unas pocas décadas, la refrigeración ha tenido un crecimiento
asombroso y actualmente se ha extendido con rapidez a Ia industria. Este
crecimiento explosivo es el resultado de varios factores. Con el desarrollo de
métodos de fabricación muy precisos, ha hecho posible la fabricación de equipos
pequeños y eficientes. Esto, unido al desarrollo de refrigerantes “seguros” y a la
invención de motores eléctricos de potencia fraccional, ha hecho posible la
fabricación de pequeñas unidades de refrigeración muy usadas en la actualidad en
aplicaciones tales como refrigeradores y congeladores domésticos,
acondicionadores de aire pequeños e instalaciones comerciales. Actualmente, en
los Estados Unidos, países Industrializados y del tercer mundo, solo pocos
hogares y establecimientos comerciales no pueden ufanarse de tener una o más
unidades-de refrigeración mecánica de cierta especie.
Desde mediados de la década del 80, los sistemas de refrigeración comerciales
han pasado por un proceso de transición, desde usar compuestos refrigerantes
que reducen el ozono, incluyendo los clorofluorocarburos (CFC), a compuestos de
baja o ninguna reducción de ozono, tal como los hidroclorofluorocarburos (HCFC)
y los hidrofluorocarburos (HFC). El amoníaco, los hidrocarburos y el dióxido de
carbono se usan en menor medida. Varios de estos compuestos, aunque no
reducen el ozono, tienen potencial de calentamiento global (GWP).
La lista de procesos o productos que es posible hacer o perfeccionar mediante el
empleo de la refrigeración mecánica, es casi infinita y de muchos otros nuevos
productos útiles, entre ellos, se tienen mejorías en los métodos para tratamiento
térmico de aceros usados en las máquinas herramientas, lo cual es el objetivo de esta Monografía. Esto representa sólo unos pocos de los cientos de formas
en los cuales la refrigeración mecánica está utilizándose en la actualidad y cada
año se encuentran muchas aplicaciones más.
1.2 DEFINICIONES 1.2.1REFRIGERACION Refrigeración o enfriamiento, es la remoción de calor no deseado desde espacios
u objetos seleccionados y su transferencia a otros espacios u objetos. La
remoción del calor baja la temperatura y puede ser llevada a cavo mediante el uso
de nieve, hielo, agua fría o refrigeración mecánica
1.2.2 REFRIGERACION MECANICA Utilización de componentes mecánicos arreglados en un “Sistema de
refrigeración”, con el propósito de transferir calor
1.2.3 FRIO Término relativo que se refiere a la carencia de calor en un objeto o espacio,
algunas definiciones lo describen como ausencia de calor, pero no hay nada
conocido en el mundo hoy día del cual el calor esté totalmente ausente (Ningún
proceso ha sido capaz de alcanzar el estado “Cero absoluto” en el cual todo calor
ha siso removido de un espacio u objeto) Teóricamente este punto cero sería:
459.69 F° ó 273.16 C°
1.2.4 CALOR El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de
otros tipos de energía en energía de calor; por ejemplo, la energía mecánica que
opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido
como energía en tránsito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está
transmitiéndose de los cuerpos cálidos a los cuerpos fríos.
1.2.5 ASHRAE
Sociedad Americana de Ingeniería para Aire Acondicionamiento, Calefacción y
Refrigeración, ASHRAE, es una organización internacional con más de 50,000
personas en capítulos por todas partes del mundo. Se organiza la Sociedad con el
propósito de buscar avances en las ciencias y artes de la calefacción, ventilación,
aire acondicionado y refrigeración, para el beneficio del público a través de la
investigación, escritura de las normas, educación continua y publicaciones
1.2.6 ACCA
La ACCA representa a contratistas para aire acondicionado en Norte América, una
asociación del comercio de los EE.UU. que interviene en el área de calefacción,
ventilación, aire acondicionado y refrigeración.
1.2.7 RETROFIT Tecnología de adecuación de un equipo de refrigeración, originalmente diseñado,
para utilización de un CFC, por un gas alternativo con pequeños cambios para que
el equipo pueda funcionar durante al resto de su vida útil.
Pasos para hacer Retrofit:
1. Datos básicos de operación del sistema, operado con CFC.
2. Remover el CFC del sistema.
3. Drenar el aceite mineral del sistema.
4. Añadir el nuevo lubricante, alquilbenceno para RMP39-MP66-HP80-HP81
5. Reemplazar el filtro deshidratador por uno adecuado.
6. Hacer vacío profundo en el sistema.
7. Cargar el sistema con el nuevo R.
8. Arrancar el sistema y optimizar la carga.
1.2.8 TERMODINAMICA La Termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica
del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamados Leyes
Termodinámicas, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los
cuales son básicos para el estudio de la refrigeración. La primera y la más
importante de estas leyes dice: La energía no puede ser creada ni destruida, sólo
puede transformarse de un tipo de energía en otro.
1.2.9 CALOR SENSIBLE Y LATENTE Cuando aplicamos calor a una sustancia y esta responde aumentando la
temperatura estamos aplicando calor sensible. Cuando aplicamos calor a una
sustancia y esta no aumenta la temperatura pero si cambia de estado estamos
aplicando calor latente. Pero para cambiar de estado un fluido evaporándolo se
necesita muchísimo calor, este calor se llama calor latente de evaporación.
1.3 REFRIGERANTES 1.3.1 ANTECEDENTES HISTORICOS.
En años anteriores cuando los refrigerantes mecánicos estaban limitados a unas
pocas aplicaciones de gran tamaño, los únicos refrigerantes prácticamente
disponibles eran el amoniaco y el dióxido de carbono. Después con el desarrollo
de unidades automáticas pequeñas para uso comercial y domestico, se
empezaron a usar refrigerantes tales como el dióxido de azufre y el cloruro de
metilo el cual fue desarrollado para usarse con compresores centrífugos
DUPONT ha sido el líder en gases refrigerantes por más de 60 años. A mediados
de los años 30 DuPont sacó al mercado sus gases refrigerantes marca Freon convirtiéndose así en el promotor directo del crecimiento de la industria del aire
acondicionado y la refrigeración. Las propiedades de estos gases permitieron
almacenar y transportar productos de manera más sencilla, segura y a un costo
razonable. En la década de los 80’s, después de varias investigaciones realizadas
en el medio ambiente, se descubrió que los CFC’s (clorofluorocarbonos) emitidos
a la atmósfera, estaban relacionados con la destrucción de la capa estratosférica
de ozono y que era necesario sustituirlos gradualmente en múltiples aplicaciones
incluyendo la refrigeración. Por esta razón, en 1987 se firma el Protocolo de Montreal en donde se regula la Producción, Venta y Consumo de CFC’s y
HCFC’s (hidroclorofluorocarbonos) a Nivel Mundial. Este documento y sus
ratificaciones fueron firmadas por casi la totalidad de los países que integran la
Organización de las Naciones Unidas y México, se comprometieron a eliminar los
CFC’s a final del año 2000.
DuPont como empresa líder en gases refrigerantes y reafirmando su compromiso
con el medio ambiente, en 1991 fue el primero en sacar al mercado los nuevos
gases refrigerantes ambientalmente amigables marca Suva que pueden ser
usados en equipos nuevos y existentes. Los refrigerantes marca Suva de DuPont
representan la nueva alternativa que tiene la industria del aire acondicionado y la
refrigeración de usar refrigerantes que son no flamables, con cero o bajo potencial
de agotamiento de la capa de ozono, clasificados por la ASHRAE y aceptados por
la mayoría de los Fabricantes de Equipo Original (FEO’s). Además, DuPont tiene
la experiencia de haber probado estos refrigerantes en millones de equipos
alrededor del mundo.
1.3.2 PROPIEDADES
Para tener uso apropiado como refrigerante, se busca que los fluidos cumplan con
la mayoría de las siguientes características
Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de la
temperatura ambiente, a presión atmosférica. (Evaporador)
Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser
controlable con facilidad, de tal forma, que su capacidad de absorber calor sea
controlable también.
Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente de
vaporización, mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante en
circulación.
No inflamable, no explosivo, no tóxico. Químicamente estable: A fin de tolerar años de repetidos cambios de estado.
No corrosivo: Para asegurar que en la construcción del sistema, puedan usarse
materiales comunes y la larga vida de todos los componentes.
Moderadas presiones de trabajo: las elevadas presiones de condensación
(mayor a 25-28kg/cm.) requieren un equipo extrapesado. La operación en vacío
(menor a 0kg/ cm.) hace que exista la posibilidad de penetración de aire en el
sistema.
Fácil detección y localización de pérdidas: Las pérdidas producen la
disminución del refrigerante y la contaminación del sistema.
Inocuo para los aceites lubricantes: La acción del refrigerante en los aceites
lubricantes no debe alterar la acción de lubricación.
Bajo punto de congelación: La temperatura de congelación tiene que estar muy
por debajo de cualquier temperatura a la cuál pueda operar el evaporador.
Alta temperatura crítica: Un vapor que no se condense a temperatura mayor que
su valor crítico, sin importar cuál elevada sea la presión. La mayoría de los
refrigerantes poseen temperaturas críticas superiores a los 93 °C
Moderado volumen específico de vapor: Para reducir al mínimo el tamaño del
compresor.
Bajo costo: A fin de mantener el precio del equipo dentro de lo razonable y
asegurar el servicio adecuado cuando sea necesario.
1.3.2.1 EFICIENCIA Las propiedades más importantes del refrigerante que influyen en su capacidad y
eficiencia son:
• El calor latente de Evaporación
• La relación de compresión
• El calor específico del refrigerante tanto en estado líquido como de vapor.
Excepto para sistemas muy pequeños, es deseable tener un valor alto de calor
latente para que sea mínimo el peso del refrigerante circulando por unidad de
capacidad. Cuando se tiene un valor alto del calor latente y un volumen específico
bajo en la condición de vapor, se tendrá un gran aumento en la capacidad y
eficiencia del compresor, lo que disminuye el consumo de potencia y permite el
uso de un equipo pequeño y más compacto. En los sistemas pequeños, si el valor
del calor latente del refrigerante es muy alto, la cantidad de refrigerante en
circulación será insuficiente como para tener un control exacto del líquido. Es
mejor tener un calor específico bajo en el líquido y un valor alto en el vapor, en
tanto que ambos tiendan a aumentar el efecto refrigerante por unidad de peso, el
primero se logra aumentando el efecto de subenfriamiento y el último
disminuyendo el efecto de sobrecalentamiento. Cuando se cumplen estas
condiciones en un fluido simple, se logrará mejorar la eficiencia del intercambiador
de calor líquido-succión.
Con relaciones de compresión bajas, se tendrá un consumo menor de potencia y
alta eficiencia volumétrica, siendo esto último más importante en sistemas
pequeños ya que esto permitirá usar compresores pequeños.
Con un coeficiente de conductancia alto, pueden mejorarse las relaciones de
transferencia de calor, sobre todo en caso de enfriamiento de líquidos y de esta
forma se pueden reducir el tamaño y el costo del equipo de transferencia.
La relación presión-temperatura del refrigerante debe ser tal que la presión en el
evaporador siempre esté por arriba de la atmosférica. En el caso de tener una
fuga en el lado de menor presión del sistema, si la presión es menor a la
atmosférica, se introducirá una considerable cantidad de aire y humedad en el
sistema, mientras que si la presión vaporizante es mayor a la atmosférica, se
minimiza la posibilidad de introducción de aire y humedad al sistema al tenerse
una fuga.
La presión condensante debe ser razonablemente baja, ya que esto permite usar
materiales de peso ligero en la construcción del equipo para condensación,
reduciéndose así el tamaño y el costo.
1.3.3 EFECTO DE LA HUMEDAD. Al combinarse la humedad en diferentes grados de temperatura, la gran mayoría
de los refrigerantes comúnmente usados, da lugar a la formación de compuestos
altamente corrosivos (ácidos), los cuáles podrán reaccionar con el aceite
lubricante y con algunos otros materiales del sistema, incluyendo a los metales, lo
que provoca daños en las válvulas, sellos, chumaceras, paredes de cilindros y de
otras superficies pulidas. Causa deterioro en el aceite lubricante y forma
sedimentos, lo cual tiende a obstruir las válvulas y los conductos de aceite, reduce
la velocidad del equipo y contribuye a la falla de las válvulas del compresor y en
los motocompresores herméticos; con frecuencia causa la rotura de los
aislamientos del devanado del motor: produciéndole cortocircuito en el devanado o
aterrizamiento.
El nivel mínimo de humedad que produzca efectos nocivos en el sistema
refrigerante no está del todo definido y varía en forma considerable de acuerdo a
la naturaleza del refrigerante, la cantidad del aceite lubricante y las temperaturas
de funcionamiento del sistema, sobre todo, la de descarga del compresor. La
humedad de un sistema refrigerante puede existir como “agua libre” o puede estar
en solución con el refrigerante. Si está como agua libre, está se congelará
formándose hielo en la válvula de control del refrigerante y/o en el evaporador, en
el caso de que la temperatura en el evaporador sea menor que la temperatura de
congelamiento del agua. La formación de hielo en el orificio de control (válvula de
expansión o tubo capilar) del refrigerante, podrá evitar el flujo de refrigerante
líquido a través de dicha parte y hacer que el sistema se vuelva inoperante hasta
que el hielo se derrita y pase a través del orificio de control. En tales casos por lo
general la refrigeración es intermitente en la medida en que el flujo del líquido es
iniciado y detenido por la fusión y congelamiento alternado del hielo en el orificio
de control
Se tendrá agua libre en el sistema cuando la cantidad en el mismo exceda a la
que el refrigerante puede llevar en solución, el que se tenga congelamiento será
siempre una indicación de que el contenido de humedad en el sistema está por
encima del nivel mínimo que produzca corrosión. La ausencia de congelamiento
no puede ser considerada como una indicación de que el sistema está
necesariamente debajo del nivel que cause corrosión. El congelamiento nunca
ocurrirá en sistemas de aire acondicionado o algunos otros sistemas donde la
temperatura en el evaporador es superior al punto de congelamiento del agua. Los
sistemas de alta temperatura con frecuencia están mas expuestos a corrosión
debido a la humedad, que en aquellos equipos que operan con temperaturas de
evaporación mas bajas, debido a las cantidades relativamente altas de humedad
que pueden llevar sin que se note y por periodos relativamente grandes. Debido a
la habilidad de cada refrigerante en particular para llevar la humedad en solución
disminuye al aumentar la temperatura, se deduce que el contenido de la humedad
en sistemas de baja temperatura deberá ser mantenido a un nivel mas bajo para
evitar la acción de los congelamientos. Por esto, la corrosión en los sistemas de
baja temperatura debido a la humedad generalmente es pequeña.
Para le serie de los hidrocarburos tales como propano, butano, etano, etc.,
absorben muy poca o casi nada de humedad. Cualquier contenido de humedad en
tales sistemas estará en el control del refrigerante, ya que esta humedad debe ser
inmediatamente eliminada a fin de conservar el sistema en funcionamiento, la
corrosión por humedad generalmente no constituirá problema alguno cuando se
usen este tipo de refrigerantes.
El amoníaco tiene afinidad con el agua y por lo tanto es capaz de absorber
humedad en cantidades grandes, de tal manera que es raro encontrar agua libre
en los sistemas que usen este refrigerante. La combinación de agua y amoníaco
produce agua amoniacal, que es un álcali fuerte, el cual ataca a los metales no
ferrosos, tales como cobre y latón. Los sistemas que emplean amoníaco funcionan
con mucho éxito aún cuando se tengan cantidades relativamente altas de
humedad en el sistema.
Los refrigerantes halocarburos se hidrolizan muy ligeramente y por lo tanto solo
forman cantidades pequeñas de ácidos u otros compuestos corrosivos. Como
regla general, no se tendrá corrosión en los sistemas que usan refrigerantes halo
carburos cuando el contenido de humedad es mantenido abajo del nivel que causa
congelamiento, en el supuesto de que los lubricantes empleados sean de alta
calidad y que las temperaturas en la descarga sean relativamente bajas.
1.3.4 INFLAMABILIDAD Y EXPLOSIVIDAD. Casi todos los refrigerantes de uso común no son inflamables ni explosivos.
Una notable excepción es el amoníaco y la serie de hidrocarburos. El amoníaco
es ligeramente inflamable y explosivo cuando se lo mezcla en determinadas
proporciones con el aire. La serie de hidrocarburos son altamente inflamables y
explosivos y deben usarse como refrigerantes tan solo para algunas aplicaciones
especiales. Debido a sus excelentes propiedades, la serie de hidrocarburos
frecuentemente se usa para aplicaciones de temperaturas muy bajas.
1.3.5 TOXICIDAD. Debido a que todos los fluidos no son otra cosa que aire tóxico, en el sentido que
pueden causar sofocación cuando se tienen en concentraciones suficientemente
altas que evitan tener el oxígeno necesario para sustentar la vida, la toxicidad es
un término relativo, el cual tiene relevancia, solo cuando se especifica el grado de
concentración y tiempo de exposición requeridos para producir efectos nocivos. El
grado de peligro en que se incurre con el uso de refrigerantes tóxicos, depende de
varios factores, tales como la cantidad de refrigerante usado con relación al
tamaño del espacio dentro del cuál se pueden tener fugas de refrigerante, del tipo
de ocupación, de sí se tengan flamas o fuego y de, si el personal experimentado
tenga la obligación de atender al equipo. Los refrigerantes tóxicos (incluyendo
productos de descomposición) despiden olores muy peculiares que tienden a dar
aviso de su presencia. Son peligrosos para el caso de niños y personas que por
razones de enfermedad o confinamiento son incapaces de escapar de los humos.
De acuerdo a su toxicidad el American Standard Safety Code for Mechanichal Refrigeration (Código Americano Estándar de Seguridad para la Refrigeración
Mecánica) y la norma ASHRAE 12-58, agrupan los refrigerantes en tres clases.
Puesto que muchos de ellos no se utilizan, solo describiremos los de uso más
corriente.
1.3.5.1 Refrigerantes del grupo 1: Son los de toxicidad e inflamabilidad despreciables. De ellos, los refrigerantes 11,
113 y 114 se emplean en compresores centrífugos. Los refrigerantes 12, 22, 500 y
502 se usan normalmente en compresores alternativos y en los centrífugos de
elevada capacidad. 1
1.3.5.2 Refrigerantes del grupo 2: Son los tóxicos o inflamables, o ambas cosas. El grupo incluye el Amoníaco,
Cloruro de etilo, Cloruro de metilo y Dióxido de azufre, pero solo el Amoníaco (R-
717) se utiliza aún en cierto grado. 2
1.3.5.3 Refrigerantes del grupo 3: Estos refrigerantes son muy inflamables y explosivos. A causa de su bajo costo se
utilizan donde el peligro está siempre presente y su uso no agrega otro peligro,
como por ejemplo, en las plantas petroquímicas y en las refinerías de petróleo. El
grupo incluye el Butano, Propano, Izobutano, Etano, Etileno, Propileno y Metano. 1 Mas detalles en: www.suva.com.mx 2 Mas detalles en: www.suva.com.mx
Estos refrigerantes deben trabajar a presiones mayores que la atmosférica para
evitar que aumente el peligro de explosión. Las presiones mayores que las
atmosféricas impiden la penetración de aire por pérdidas, porque es la mezcla
aire-refrigerante la que resulta potencialmente peligrosa. 3
1.3.6 MEDIO AMBIENTE. Los estudios han demostrado que los químicamente inalterables CFC son poco
estables hacia la radiación UV-C, se produce una reacción fotoquímica que da
lugar a la liberación de átomos de cloro, los cuáles son muy reactivos y colisionan
con los átomos de ozono produciendo monóxido de cloro y oxígeno molecular. El
monóxido de cloro puede reaccionar con los átomos de oxígeno y se regenera el
cloro atómico. Los átomos de cloro liberados cierran el llamado “ciclo cloro
catalítico del ozono”. Se estima que un solo átomo liberado de un CFC puede dar
origen a una reacción en cadena que destruya 100000 moléculas de ozono. Este
ciclo puede ser bloqueado por dióxido de nitrógeno, que puede secuestrar
monóxido de cloro mediante una reacción química en la que se forma nitrato de
cloro, esta reacción es conocida como “reacción de interferencia”, porque bloquea
la degradación del ozono producida por derivados del CFC. Los HCFC continúan
destruyendo la capa de ozono, aunque algo menos que los CFC, y tanto los HCFC
como los HFC son gases de invernadero potente. Debido a que los HCFC
destruyen el ozono, solo son considerados “compuestos de transición” lo que
significa que tendrán que ser reemplazados a su vez por compuestos mas
aceptables desde el punto de vista ambiental. Lo mismo puede decirse con
respecto a los HFC, que por su elevado potencial de calentamiento global han sido
incluidos en el Protocolo de Kyoto. El absurdo paso intermedio entre los HCFC y
HFC, doblará los costos de los nuevos equipos, de los cambios en las líneas de
producción y del entrenamiento del personal. Las actuales fechas de eliminación
3 Mas detalles en: www.suva.com.mx
de los HCFC, CFC y bromuro de metilo son inadecuadas para la producción de
Ozono.
1.3.6 ¿Qué refrigerantes sustituyen a los CFC’s?
Los CFC’s están siendo reemplazados por refrigerantes alternativos llamados
HCFC’s y HFC’s mejor conocidos como Suva, que ofrecen mejores propiedades
ambientales. Los gases refrigerantes definitivos son los HFC’s que no contienen
cloro, por lo tanto NO dañan la capa de ozono y pueden ser utilizados en todas las
aplicaciones de los CFC’s con un alto grado de seguridad.
1.3.7 LOS HIDROCLOROFLUOROCARBURO.
El primer paso para evitar la destrucción de la capa de ozono fue la sustitución de
los fluorocarbonados con dos átomos de cloro (CFC) por fluorocarbonados con un
átomo de cloro y otro de hidrógeno (HCFC). Estos refrigerantes contribuyen en
menor medida a la destrucción de la capa de ozono por su mayor estabilidad, pero
influyen en el calentamiento global en mayor medida que estos. Sin embargo en la
última revisión del protocolo de Montreal los HCFC fueron también incluidos en la
lista de sustancias controladas, y se decidió su parada de fabricación en el año
2020 con la completa desaparición en el año 2030. Alemania ha acelerado la
desaparición del R-22 debiendo completarse esta en el año 2000. Estados Unidos
está considerando tomar medidas de este tipo. El R-22 es una solución intermedia
y se usa para remplazar el R-12, R-500 y R-502 en algunas aplicaciones. Para
reemplazar el R-114 en procesos industriales a alta temperatura se recurre la los
siguientes HCFC's (Hidro-Cloro-Fluoro-Carbonados): R-124, R-123 y R-141b. Al
tener algún hidrógeno en su molécula se oxidan en la atmósfera baja. Al ser su
tiempo de vida muy corto, se reduce enormemente su ODP (Alto poder de
agotamiento del ozono). Por ejemplo: HCFC-22 (clorodifluormetano, HClF2C),
producto empleado en el A/A de viviendas, ODP = 0,05. Un 95 % menor que el
CFC-12.
Desde mediados de la década del 80, los sistemas de refrigeración comerciales
han pasado por un proceso de transición, desde usar compuestos refrigerantes
que reducen el ozono, incluyendo los clorofluorocarburos (CFC), a compuestos de
baja o ninguna reducción de ozono, tal como los hidroclorofluorocarburos (HCFC)
y los hidrofluorocarburos (HFC). El amoníaco, los hidrocarburos y el dióxido de
carbono se usan en menor medida. Varios de estos compuestos, aunque no
reducen el ozono, tienen potencial de calentamiento global (GWP). Hay dos
aspectos relacionados al calentamiento global que deben considerarse al
seleccionar un refrigerante. Uno es el potencial de calentamiento global del
compuesto refrigerante mismo si se emite, el "efecto directo". Otro a aspecto es la
cantidad de energía consumida para que funcione el equipo, el "efecto indirecto".
Los dos aspectos considerados conjuntamente representan las porciones más
significativas del Rendimiento climático del ciclo de vida. Otras consideraciones
significativas adicionales incluyen el costo del sistema y la seguridad de los
usuarios, los técnicos de servicio y el público. Los productos recomendados para
sustituir a los HCFC son: 4
• Refrigerante Suva HP80 (R-402A) Reemplaza R-502
• Refrigerante Suva 408ª (R-408A) Reemplaza al R-502.
• Refrigerante Suva HP81 (R-402B) Reemplaza R-502.
• Refrigerante Suva MP66 (R-401B) Reemplaza R-500, R-12.
• Refrigerante Suva MP39 (R-401A) Reemplaza R-12.
4 Mas detalles en: www.suva.com.mx
1.3.8 LOS HIDROFLUOROCARBUROS.
Los HFC son fluidos refrigerantes sin cloro, y por tanto sin efecto sobre la
reducción de la capa de ozono, pero algunos de ellos tienen un efecto importante
sobre el efecto invernadero. Se utilizan en la Bomba de Calor el R-134a, R-152a,
R-32, R-125 y R-143a.
Los refrigerantes alternativos están compuestos a base de HFCs, Hidro-Fluoro-
Carbonados. Este tipo de refrigerantes son la tendencia para nuevos equipos e
instalaciones. La soluciones disponibles tomando como base las propiedades
termodinámicas de los refrigerantes que se van a sustituir, por lo que no es
necesario una reingeniería del frío. Sin embargo, no es posible aplicarlos
directamente en los equipos existentes, pues no se mezclan en ninguna condición
de presión ni temperatura con el aceite mineral remanente en una instalación que
ha funcionado. Es necesario lavar dicha instalación hasta que el contenido en
aceite mineral residual sea inferior al 5% del total. Por esto, su aplicación está
dirigida principalmente a las instalaciones por construir. De todas formas, existen
desde hace años en el mercado sistemas automáticos de limpieza, sin emitir
ningún residuo a la atmósfera, capaces de conseguir el desengrase necesario
para aplicar esta familia de productos en los equipos existentes. 5
• Refrigerante Suva 134A (R-134a) Reemplaza al R-12.
• Refrigerante Suva HP62 (R-404A) Reemplaza R-502.
• Refrigerante Suva 507(R-507) Reemplaza R-502.
• Refrigerante Suva 407C (R-407C) Reemplaza al R-22 (Anteriormente
conocido como Suva® 9000
• Refrigerante Suva® 410A (R-410A) Reemplaza R-22.
5 Mas detalles en: www.suva.com.mx
1.3.9 CONVERSIÓN RETROFIT.
Debido a su ataque a la capa de ozono y a su alta contribución al efecto
invernaderos, los gases refrigerantes CFC han de ser eliminados y sustituidos por
otros de similares características que no presenten estos inconvenientes.
Ha sido elegido como sustituto del CFC12 el HFC-134a. Los ingenieros de SAE
(Sociedad de Standards de Automóviles) americanos definen los pasos y
procedimientos para el Retrofiting de sistemas de Aire Acondicionado de
automóviles, o sea, simplemente el cambio de CFC-12 a HFC-134a.
En algunos automóviles es una operación bastante simple y en otros presenta
altas dificultades. 6 En forma básica puede decirse que algunas partes deberán ser
cambiadas como son:
• Filtro secador.
• Juntas teóricas.
• Aceite lubricante.
• Válvula de servicio.
Otras podrían ser modificadas o acondicionadas:
• Compresor.
• Válvula de expansión.
Finalmente hay otras que deben ser estudiadas en cada caso:
• Condensador.
• Mangueras.
6 El Retrofit es uno de los aspectos mas importantes de la refrigeración moderna para el reemplazo de CFC a HCFC y HFC. Mayor información en: www.suva.com.mx . REFRIGERACION. Ing. Helbert A. Carrillo C. CUTB
CAPITULO II
2. TRATAMIENTOS TERMICOS, PARAMETROS DE
FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO Y CALCULOS DEL SISTEMA
2.1 TRATAMIENTOS TERMICOS 2.1.1 INTODUCCION A través de todos los tiempos y con especial interés, desde la revolución industrial,
el hombre ha procurado obtener el mayor provecho de los materiales, en especial
del acero; modificando sus propiedades físicas por medio de procesos como el
temple, que consiste en elevar la temperatura del material y luego disminuirla
rápidamente.
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir
mineral de hierro para producir el metal para ser utilizado. Los primeros utensilios
de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto, datan del año 3.000 a.c., y
se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro; los griegos ya
conocían hacia el 1.000 a.c, la técnica de cierta complejidad para endurecer armas
de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los
primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro
fabricadas hasta el siglo XIV d.c.) se clasifican en la actualidad como hierro
forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de
hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento
reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico lleno de una
escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta
esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba
con pesados martillos para expulsar la escoria y dejar el hierro. El hierro producido
en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de
otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía
accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del
hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en
recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente
carbono para convertirse en acero.
Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la
fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión
por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño, el
mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a
continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo
atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que
funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se
refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de arrabio emplea
altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El
proceso de refinado del arrabio para la producción de acero mediante chorros de
aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el
horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan
varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de
chatarra. Las aleaciones de hierro y carbono, aceros y fundiciones, son las
aleaciones metálicas más importantes de la civilización actual. Por su volumen, la
producción de fundición y de acero supera en más de diez veces la producción de
todos los demás metales juntos.
Corrientemente se da el nombre de acero y fundición, a las aleaciones hierro -
carbono (si tienen más del 2% de C son fundiciones y si tienen menos del 2% de
C son aceros).
2.1.2 MICROESTRUCTURAS DE LOS ACEROS
Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono
son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, trostita, martensita, bainita, y rara vez
austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar
presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y
aluminatos.
El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y
fundiciones blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-
carburo de hierro o Cementita.
Figura 1 Diagrama Fe-C
Las micro estructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al
carbono son:
2.1.2.1 FERRITA Es una solución sólida de carbono en hierro alfa (α), su solubilidad a la
temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera
como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa (α) es de
0,02% a 723 °C.
Figura 2
Micro estructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita
La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica
centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la
tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se
observa al microscopio como granos poligonales claros. En los aceros, la ferrita
puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de
menos de 0.6%C, figura 7.6; formando una red o malla que limita los granos de
perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares
orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en
los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo
de estructura se denomina Widmanstatten. La ferrita también aparece como
elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras
láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas
aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los
aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita
cuando el temple no ha sido bien efectuado.
2.1.2.2 CEMENTITA Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro,
es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando
una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica.
Figura 3
Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita
En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece
como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C
formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita
como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en
forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros
de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros
hipoeutectoides que no han sido bien templados.
2.1.2.3 PERLITA Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y
cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8
%C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un
alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere
al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el
enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita
el rango de 650 a 723°C Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la
estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete
a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de
glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.
Figura 4
Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita
2.1.2.4 AUSTENITA Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución
sólida por inserción de carbono en hierro gamma (ע). La cantidad de carbono
disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de
1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente, pero existen
algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es
austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos
centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la
tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.
Figura 5 Microestructura de la austenita
La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina
apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer
junto con la martensita en los aceros templados.
2.1.2.5 MARTENSITA Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución
sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por
enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas
temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono
hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en
carbono hasta un máximo de 0.7 %C.
Figura 6 Microestructura de la martensita
La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a
250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto
acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente
que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una
temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se
desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
2.1.2.6 TROOSTITA Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de
la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de
temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura
de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C. Sus propiedades físicas son intermedias
entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una
resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es
un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y
aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
2.1.2.7 SORBITA Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de
la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de
temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%,
o por revenido a la temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su
resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al
20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con
1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, Figura 7.7; de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita
de grano muy fino.
2.1.2.8 BAINITA Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita
cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian
dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a
500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita
inferior, formada a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y
constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de
carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre
las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos
de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y
además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos. La
determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la
norma ASTM o por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con
las retículas patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8
para el grano más fino. En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se
indica con un número convencional n, de acuerdo con la formula: logG=(n-1)log2. Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen
obtenida a 100 aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado
completamente, n es el número de tamaño de grano de uno a ocho.
Figura 7
Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la microestructura del acero para
comparación a 100X
2.1.3 ACEROS AL CARBONO El principal producto siderúrgico es el acero, siendo aproximadamente el 90% de
la producción acero al carbono y el 10%, acero aleado. Por lo tanto, el material
metálico más importante para la industria es el acero al carbono.
El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además de
hierro, cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos
elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y
silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno,
nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros).
El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción,
incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la
ductilidad. Los aceros se clasifican teniendo en cuenta sus propiedades y
utilización, en tres grandes grupos: aceros de construcción, aceros de
herramientas y aceros inoxidables. 7
2.1.4 TRATAMIENTOS TERMICOS El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal
en su estado sólido, para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento
térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano,
incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un
tratamiento térmico, es recomendable contar con los diagramas de cambio de
fases como el de hierro - hierro - carbono. En este tipo de diagramas se
especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de
estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos
térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las
constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias
tanto al desgaste como a la tensión.
2.1.4.1 ENDURECIMIENTO DEL ACERO
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de
manera uniforme a la temperatura correcta y luego enfriarlo con agua, aceite, aire
o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular
fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad.
7 Mas detalles en: www.elprisma.com Ingeniería Mecánica
El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su
temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 1450 °F y 1525
°F (790 a 830 °C) lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza
brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que
produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la
austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita,
material que es muy duro y frágil.
Figura 8
Temperaturas para endurecido de metales
2.1.4.2 TEMPLE (REVENIDO) Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide
su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior
generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se
recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama
revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos
quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar
la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver
tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para
endurecerla. 8
Tabla 1 Temperaturas para templar acero endurecido
Color Grados F Grados C Tipos de aceros
Paja claro 430 220 Herramientas como brocas,
machuelos
Paja
mediano
460 240 Punzones dados y fresas
Paja oscuro 490 255 Cizallas y martillos
Morado 520 270 Árboles y cinceles para madera
Azul oscuro 570 300 Cuchillos y cinceles para acero
Azul claro 600 320 Destornilladores y resortes
2.1.4.3 RECOCIDO
8 Mayor información: TECNOLOGIA DEL TRATAMIENTO DE LOS METALES, Asdrúbal Valencia, Segunda Edición ,Capítulos 4-5-6-7-8-9
Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular hay que
recocerlo o ablandarlo. El recocido es un proceso para reducir los esfuerzos
internos y ablandar el acero. El proceso consiste en calentar al acero por arriba de
su temperatura crítica y dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto
en ceniza, cal, asbesto o vermiculita.
2.1.4.4 CEMENTADO
Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono,
quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza
en los aceros, en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la
cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser
endurecido. El carbono se agrega al calentar el acero a su temperatura crítica,
mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos
de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y
gas.
2.1.4.4.1 CARBURIZACIÓN POR EMPAQUETADO Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido
carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 1650 o
1700 °F (900 a 927 °C) durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbón que se
encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Entre más
tiempo se deje la pieza en la caja con carbón, de mayor profundidad será la capa
dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada, se enfría
rápidamente en agua o salmuera. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión
superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja, para posteriormente
sacarla y volverla a calentar entre 1400 y 1500 °F (rojo cereza) y proceder al
enfriamiento por inmersión. La capa endurecida más utilizada tiene un espesor de
0.38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 4 mm.
2.1.4.4.2 CARBURIZACIÓN EN BAÑO LÍQUIDO El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También
se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se
mantiene la temperatura a 1500 °F (845 °C) durante 15 minutos a 1 hora, según la
profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y
el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o
salmuera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0.75 mm.
2.1.4.4.3 CARBURIZACIÓN CON GAS
En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La
pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se
introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural.
El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 1650 y
1750 °F (900 y 927 °C). después de un tiempo predeterminado se corta el gas
carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a
1400 °F (760 °C) y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este
procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 6 mm,
pero por lo regular no exceden de 0.7 mm.
2.1.4.5 CARBURADO, CIANURADO Y NITRURADO Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del
nitrógeno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o
cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del
amoniaco se logran superficies duras como en los métodos anteriores.
Tabla2 Acero para Temple y Revenido Característica
IRAM-
SAE
Composi
ción
Química
Característ
icas
Aplicacion
es
Tratamientos
Térmicos sr
MPa
s 0,2
Mpa
Al
%
F
%
Dureza
HB
Laminado
forjado:
1200 /
850 ºC 650 420 25 50 192
Normalizado
870 / 900 ºC 680 420 28 52 183
Recocido de
ablandamient
o
650 / 700 ºC 510 320 30 70 149
Recocido de
regeneración
840 / 870 ºC 530 350 28 65 156
Temple 850
ºC aceite;
Revenido:
540 ºC 820 650 15 52 240
IRAM/
SAE
1038
C: 0,35 /
0,42
Mn: 0,60
/ 0,90
Acero al C.
Con
estructura
globulizada
es apto
para
estampar
en frio.
Baja
templabilid
ad
Piezas
fabricadas
por
estampad
o en frio (
Bulones,
tuercas,
tornillos,
etc.)
Otras
piezas
forjadas
en
caliente
poco
exigidas Temple 850
ºC aceite;
Revenido:
650 ºC 720 580 22 65 197
Laminado
forjado: 1200
/ 850 ºC 685 460 24 50 212
Normalizado:
850 / 875 ºC 700 450 25 46 207
IRAM/
SAE
1045
C: 0,43 /
0,50
Mn: 0,60
/ 0,90
Acero al C.
De baja
templabilid
ad. En
estado
templado
tiene alta
Piezas de
alta
dureza y
buena
tenacidad
(manivelas
,
mecanizar
810 / 860 ºC
Temple:
aceite 815 /
840 ºC;
Revenido:
540 ºC 710 610 15 45 269
dureza y
buena
tenacidad.
Es apto
para
temple
superficial.
chavetas,
ejes,
cigueñales
, bielas,
engranaje
s,
espárrago
s, etc.) Temple:
aceite 815 /
840 ºC
Revenido:
650 ºC 700 500 25 60 212
Laminado
forjado: 1200
/ 850 ºC 720 480 13 35 217
Normalizado:
850 / 875 ºC 710 480 20 48 212
Recocido:
830 ºC 610 380 25 50 183
Temple: 840
ºC aceite;
Revenido:
540 ºC 900 680 23 58 269
IRAM/
SAE
1541
C: 0,36 /
0,44
Mn: 1,35
/ 1,65
Acero al C.
Con
templabilid
ad
mejorada
Piezas de
dimension
es
medianas
y chicas.
Engranaje
s, árboles,
pernos,
palieres,
etc. Temple: 840
ºC aceite;
Revenido:
650 ºC 700 520 25 60 217
Laminado
forjado: 1100
/ 850 ºC 840 610 16 48 255
Normalizado
860 / 890 ºC 860 570 19 57 262
SAE
3135
C: 0,33 /
0,38
Mn: 0,60
/ 0,80
Si: 0,20 /
0,35
Acero al
Cr-Ni de
mediana
templabilid
ad con
muy buena
Piezas de
dimencion
es
medianas
y grandes,
expuestas
830 ºC
Temple: 830º
aceite;
Revenido:
540 ºC 910 805 20 54 293
Cr: 0,55 /
0,75
Ni: 1,10 /
1,40
tenacidad. a
solicitacio
nes
elevadas.
Por ej.
Puntas de
ejes,
bielas,
ejes
delanteros
,
eslabones
de
cadenas,
etc.
Temple: 830º
aceite;
Revenido:
650 ºC 800 700 21 60 248 Laminado
forjado: 1100
/ 850 ºC 880 277
Normalizado:
850ºC 860 265
Recocido:
630 / 650 ºC 785 235
Temple: 830º
aceite
Revenido
con
enfriamiento
rápido: 540
ºC 1130 930 12 45 331
SAE
3335
C: 0,30 /
0,40
Mn: 0,30
/ 0,60
Si: 0,15 /
0,30
Cr: 1,25 /
1,75
Ni: 3,25 /
3,75
Acero al
Cr-Ni de
muy alta
templabilid
ad y de
extrema
tenacidad
Piezas
grandes
expuestas
a
solicitacio
nes muy
elevadas,
especialm
ente a la
fatiga. Por
ej.:
cigueñales
, pernos
de acople,
ejes de
piñones,
etc.
Revenido
con
enfriamiento
rápido: 650 880 750 18 54 269
ºC
Laminado
Forjado:1100
/850ºC 1030 720 15 40 311
Recocido de
globulizacion:
755ºC 650 65 92HRb
Recocido
para
mecanizar:
830ºC 650 420 25 56 192
Recocido de
ablandamient
o: 680ºC 650 62 92HRb
Temple:
840ºC
,aceite;
Revenido:
540 ºC 1120 1040 14 56 321
IRAM/
SAE
4140
C: 0,38 /
0,43
Mn: 0,75
/ 1,00
Cr: 0,80 /
1,10
Mo: 0,15
/ 0,25
Acero al
Cr-Mo de
mediana
templabilid
ad y buena
tenacidad.
No
presenta
fragilidad
de
revenido.
Apto para
temple
superficial.
Con
estructura
globulizada
puede
estampar
en frío
Piezas de
alta
exigencia
para la
construcci
ón de
vehículos
en
general.
Cigueñale
s, árboles,
palieres,
engranaje
s de
transmisió
n, etc.
Piezas
confeccion
adas por
estampad
o en frio
(bulones
de alta
calidad)
Temple:
840ºC
,aceite;
Revenido:
650 ºC 915 810 19 60 277
Laminado
Forjado:
1150/900ºC 1300 860 401
Normalizado:
870ºC 1280 860 12 35 388
Recocido de
ablandamient
o: 680ºC 740 460 22 45 217
IRAM/
SAE
4340
C: 0,38 /
0,43
Mn: 0,65
/ 0,85
Si: 0,20 /
0,35
Cr: 0,70 /
0,90
Ni: 1,65 /
Acero al
Cr-Ni-Mo
de alta
templabilid
ad, de alta
resistencia
y excelente
tenacidad.
No
Piezas de
aviones y
automóvil
es
sometidas
a las más
grandes
exigencias
y los más
para
mecanizar:
830ºC
Temple:
840ºC,aceite;
Revenido:
540 ºC 1210 1100 14 45 352
2,00
Mo: 0,20
/ 0,30
presenta
fragilidad
de
revenido.
Alta
resistencia
a la fatiga.
altos
esfuerzos
estáticos y
dinámicos.
Piezas
para
temperatu
ras debajo
de 0 ºC. Temple:
840ºC,aceite;
Revenido:
650ºC 805 650 22 63 235
Laminado
Forjado:
1050/850ºC 770 520 229
Normalizado:
870ºC 760 470 23 53 227
Recocido de
ablandamient
o: 680ºC 570 183
Recocido
para
mecanizar:
830ºC 570 320 25 55 179
Temple:
840ºC,aceite;
Revenido:
540 ºC 970 840 18 58 293
IRAM/
SAE
5140
C: 0,38 /
0,43
Mn: 0,70
/ 0,90
Si: 0,20 /
0,35
Cr: 0,70 /
0,90
Acero al Cr
de baja
templabilid
ad, alta
resistencia
al
desgaste.
Apto para
endurecimi
ento
superficial
por
cianurado
directo.
Piezas de
dimencion
es
medianas.
Engranaje
s, ejes,
árboles,
puntas de
ejes, etc.
Temple:
840ºC,aceite;
Revenido:
650ºC 805 650 22 63 235
IRAM/
SAE
C: 0,38 /
0,43
Acero al
Cr-Ni-Mo
Bulones
especiales
2.2 PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO 2.2.1 DIAGRAMA TI Y LAS CURVAS DE ENFRIAMIENTO
1100/850 ºC
Normalizado:
870ºC 850 570 16 45 255
Recocido de
globulizacion:
755ºC 610 70 170
Recocido
para
mecanizar:
830ºC 620 360 28 52 179
Recocido de
ablandamient
o: 860ºC 670 45 183
Temple:
840ºC,aceite;
Revenido:
540 ºC 1100 1020 15 55 341
8640
Mn: 0,75
/ 1,00
Cr: 0,40 /
0,60
Ni: 0,40 /
0,70
Mo: 0,15
/ 0,25
de
mediana
templabilid
ad.
Tiene alta
resistencia
y muy
buena
tenacidad.
Con
estructura
globulizada
es apto
para
estampar
en frio. No
presenta
fragilidad
del
revenido
de alta
resistencia
a
esfuerzos
estáticos y
dinámicos.
Piezas de
alta
responsab
ilidad,
especialm
ente a la
fatiga,
hasta
aprox. 100
mm de
espesor. Temple:
840ºC,aceite;
Revenido:
650 ºC 870 760 19 65 255
Cuando se mantiene el acero en Ia fase austenita a una temperatura inferior a su
mínima temperatura de estabilidad, se transforma en diversos productos de
transformación. Para mostrar estos resultados se utiliza una gráfica. Esta se
conoce como diagrama tiempo-temperaturas-transformación (TTT) o diagrama de
transformación isotérmica (TI). Después de estudiar este diagrama se pueden
explicar los procedimientos de endurecimiento, Ia rapidez de enfriamiento y los
diferentes productos de transformación, así como Ia forma en que se obtienen y lo
mas importante: comprobar el concepto de ASDRUBAL VALENCIA ” Como la
microestructura deseada en el temple es la martensita, la velocidad de
enfriamiento debe ser igual o superior a la crítica de temple. Las velocidades
críticas de temple varían para los aceros al carbono, de 200 a 600 °C/segundos
según el contenido de carbono.” 9
2.2.1.1 PROCESO DE ENDURECIMIENTO Para endurecer el acero se efectúan dos operaciones. La primera etapa consiste
en calentar el acero hasta el rango austenita (austenización), lo cual significa
calentarlo hasta una temperatura más alta que la temperatura crítica superior. La
segunda etapa consiste en enfriar rápidamente o templar cerca de la temperatura
ambiente. La austenización produce la solución sólida del carbono en la estructura
cúbica centrada en las caras. La temperatura usual de austenización es de 50 °F
(28 °C) por encima de las líneas A3 ó A3.1 (figura 2.2.1). Las aleaciones con
0.8% de carbono o menos se vuelven 100% austenita a esta temperatura,
mientras que el acero con más de 0.8 % de carbono se convertirá en austenita con
algo de cementita libre.
9 TECNOLOGIA DEL TRATAMIENTO TERMICO,Asdrúbal Valencia, Página 227
Figura 9 Diagrama que muestra las
temperaturas de temple (rango de austenización
Los aceros con mayor contenido de carbono que contienen elementos formadores
de carburo tales como cromo, molibdeno, tungsteno o vanadio requieren más
tiempo de permanencia a esta temperatura de austenización debido a que los
carburos complejos son relativamente lentos para disolverse. Si la temperatura es
demasiado baja, puede haber una solución incompleta de carburos y el acero
puede contener aún granos de ferrita sin disolver, los cuales no son benéficos en
un acero para herramientas endurecido. Si la temperatura es demasiado alta,
pueden formarse granos grandes, esto provocaría el agrietamiento durante el
tratamiento térmico, lo cual causaría la falla de la parte. El temple subenfría la
austenita para formar una nueva estructura por debajo de la temperatura MS. Esta
estructura se conoce como martensita. 2.2.1.2 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA (TI) O DE TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN (TTT)
Isotérmica significa la misma o temperatura constante. Los diagramas TI también
se conocen como curvas S de Bain o diagramas TTT (tiempo-temperatura-
transformación). Una vez que se descubrió que el tiempo y la temperatura de
transformación de la austenita influían notablemente en los productos de
transformación, fue necesario un nuevo tipo de gráfica o diagrama. El diagrama
fierro-carbono no sería conveniente porque representa condiciones de equilibrio o
de enfriamiento lento, mientras que la transformación de la austemta ocurre en
condiciones de no equilibrio con varias tasas de enfriamiento. La austenita es
inestable a temperaturas por debajo de la línea A1 del diagrama hierro-carbono y
casi inmediatamente se empieza a transformar en productos tales como perlita o
bainita. Un diagrama TTT representa muy bien este proceso. Cuando se grafica un
diagrama TTT deben recordarse tres factores.
1. Cuando la austenita se enfría por debajo de la línea A1 a una
temperatura determinada y se mantiene a esa temperatura, se
empieza a transformar en un tiempo determinado y se completa la
transformación después de cierto tiempo característico del acero.
2. La martensita se forma únicamente a temperaturas relativamente
bajas y de manera casi instantánea.
3. Si la austenita se transforma en algún punto de la curva en una
estructura que es estable a temperatura ambiente, un enfriamiento
rápido no cambiará el producto ya transformado, pero la austenita
restante se transformará en martensita.
Los datos de los diagramas de transformación isotérmica se obtienen calentando
grandes cantidades de muestras pequeñas de acero de un tipo específico a la
temperatura de austenización . Luego se transfieren rápidamente a hornos o
baños de sales fundidas, que están a temperaturas predeterminadas por debajo
de la línea crítica A1. Para estudiar la transformación a 1 200 °F (649 °C), se
mantiene un juego de muestras a la temperatura constante (isotérmica) de 1 200
°F (649 °C). A intervalos regulares se retira una muestra y se enfría rápidamente
en salmuera con hielo. Por medio del examen microscópico se verá martensita si
la transformación no ha empezado aún, pero si ésta ya se inició, se verá
martensita y perlita (en este caso) y sólo se podrá ver perlita si la transformación
ya es completa. En la gráfica se coloca una marca indicando el tiempo y la tempe-
ratura. Este procedimiento se repite con otras muestras a otras temperaturas
hasta que se obtiene la gráfica completa para ese acero particular (figura 10).
La escala vertical de la izquierda representa la temperatura y la escala horizontal
de abajo representa el tiempo. Se grafica en una escala logarítmica que
corresponde a un minuto, 1 hora, 1 día y 1 semana. Las letras Ms pueden
encontrarse a una temperatura específica para cada tipo de acero. Ms representa
la temperatura a la cual la austenita empieza a transformarse en martensita
durante el enfriamiento. La temperatura Mf es el punto al cual finaliza o se
encuentra cerca del 100% la transformación de la austenita en martensita durante
el enfriamiento. Algunas veces se reemplaza ésta por un porcentaje de
transformación.
2.2.1.3 PRODUCTOS DE TRANSFORMACIÓN La austenita, cuando se enfría a una temperatura inferior a la de transformación y
se mantiene a una temperatura constante, se descompone en varios productos de
transformación tales como perlita, ferrita o bainita. La austenita que contiene 0.89%
Figura 10 Método para graficar un diagrama TTT. Las muestras austenizadas se colocan en
un horno o baño de sal y se mantienen a una temperatura específica. A intervalos específicos se
sacan y se templan en salmuera. Se marca cada muestra según su periodo y luego se prepara y
se examina con un microscopio para verificar la falta de productos de transformación (en ese caso
sería totalmente martensita) o su porcentaje de transformación y el tiempo al cual el intervalo de
transformación principió y terminó. Probablemente se usarían muchas más muestras para una
gráfica a una temperatura simple que lo que indica este diagrama.
enfriada rápidamente de carbono y mantenida a 1 300 °F (704 °C), por ejemplo, no
se empieza a descomponer o a transformar hasta después de tres minutos y no se
descompone completamente hasta que se encuentra a esa temperatura durante
más de 1 hora (figura 11). A esta temperatura se ha desarrollado una estructura
perlítica muy gruesa y el material es muy blando. Si la austenita se enfría rápida-
mente, y se mantiene a una temperatura inferior a 1 200 °F (649 °C), la
descomposición empieza a los 5 segundos y es completa después de unos 30
segundos. La perlita resultante es de grano grueso y ligeramente más dura. A una
temperatura de 1 000 ~F (538 °C) la austenita se descompone rápidamente. Sólo
le toma un segundo antes de que principie la transformación y 5 segundos para
terminarla. La perlita resultante es extremadamente fina y su dureza es
relativamente alta. A esta región de la curva S. cuando ocurre la descomposición
de la austenita, se le conoce como la nariz de la curva de un diagrama de
transformación isotérmica (TI).
2.2.1.4 CURVAS DE ENFRIAMIENTO Si la austenita se enfría a temperaturas por debajo de la nariz de la curva (600 °F
ó 315 °C) y se mantiene a estas temperaturas durante el tiempo suficiente, la
transformación producirá vainita. Si la austenita se enfría rápidamente a una
temperatura inferior a la línea Ms, el producto será martensita. Como se ve, esta
transformación a martensita es completa a la temperatura Mf. Estas temperaturas
varían considerablemente en los aceros y son una función del contenido de
carbono. Las temperaturas Ms y Mf son más bajas para los aceros al alto carbono
que para los aceros al bajo carbono (figura 12).
Figura 11 El diagrama TTT de un acero con 0.89% de carbono (Copyright 1951, United States Steel
Corporation
Si se superpone una curva de enfriamiento (figura 14) sobre el diagrama ITT,
puede verse que debe pasar a la izquierda de la nariz 1 del diagrama para que
ocurra la transformación a martensita. Sin embargo, si la tasa de enfriamiento es
demasiado lenta la curva de enfriamiento cortará la nariz del diagrama, mostrándose que
ocurre una transformación parcial o completa en ese punto 2) y que la perlita fina
más la martensita son las estructuras que se desarrollaron en vez de la martensita
deseada. Por lo tanto, la tasa de enfriamiento para un temple dado debe ser tal
que la nariz del diagrama quede a la derecha de la curva de enfriamiento. Sin
embargo, la formación de martensita depende de la temperatura, no del tiempo.
En algunos aceros existe un problema de austenita retenida aún después de que
se utilicen procedimientos de temple correctos. Algunos aceros para herramientas
retendrán austenita aun por debajo de la temperatura Mf. Un revenido apropiado o
tratamientos de subcero usualmente transformarán en forma completa la austenita
a martensita. La austenita retenida puede causar serios problemas en los aceros
para herramientas endurecidas, tales como fragilidad y agrietamientos, debido a
una transformación a martensita no revenida en cualquier momento, provocados
por esfuerzos externos o ciclos térmicos.
2.2.1.5 TASA DE ENFRIAMIENTO CRÍTICA Aleaciones diferentes pueden afectar la forma de los diagramas TTT. Un
incremento en el contenido de carbono mueve la curva S hacia la derecha
(incrementa el tiempo antes de que ocurra la transformación). El tamaño de grano
también afecta la templabilidad (la propiedad que determina la profundidad y la
distribución de la dureza inducida por el temple de una aleación ferrosa). Los
aceros al carbono de grano más grande también disponen de más tiempo para la
transformación. Esto también mueve la curva S hacia la derecha. La adición de
aleación al acero también mueve la curva S hacia la derecha.
figura 12 La temperatura M. es una función del contenido de carbono y disminuye cuando se
agregan elementos aleantes. Después de encontrar la temperatura Ms de un acero que tiene
contenido particular de carbono, reste lo siguiente: 70 veces el porcentaje de cromo, 70 veces el
porcentaje de manganeso, 50 veces el porcentaje de molibdeno y 35 veces el porcentaje de níquel
(en grados Fahrenheit)
Figura 13 Se muestran dos curvas de enfriamiento aproximadas sobre un diagrama
ITT del acero SAE 1095 para ilustrar la necesidad de un enfriamiento suficientemente rápido
con el fin de evitar el corte de la nariz del diagrama (United States Steel Corporation).
Figura 14 La curva de enfriamiento para el temple en salmuera del acero al carbono SAE 1008
(United States Steel Corporation).
Figura 15 La curva de enfriamiento para el temple en sal-muera del acero manganeso modificado 1034 (United States Steel Corporation).
Figura 16 La curva de enfriamiento de un acero SAE 4140 (United States Steel Corporation
Figura 17 Las curvas de enfriamiento interno y externo de la misma parte muestran en este diagrama
cómo dos tasas diferentes de enfriamiento pueden provocar la acumulación de altos esfuerzos los cuales
resultan algunas veces en agrietamientos debidos al temple (United States Steel Corporation).
Un acero al bajo carbono simple no puede endurecerse para propósitos prácticos
debido a que la nariz del diagrama está en o cae cerca de la línea de tiempo cero
y sería imposible evitar cortarla con el temple o la curva de enfriamiento (figura 14). Sin embargo, con aceros de más de 0.30% de carbono es posible enfriar lo
bastante rápido como para efectuar una transformación parcial a martensita
(figura 15.). El acero al carbono simple de 0.83% C debe enfriarse rápidamente
en agua para que el temple sea lo suficientemente rápido como para que ocurra
en los 1 ó 2 segundos necesarios para evitar el corte de la nariz en el diagrama.
Por lo tanto, la tasa de enfriamiento crítica es la tasa de enfriamiento a la cual se
evita el corte de la nariz de la curva S.
Los aceros endurecidos en aceite con elementos aleantes, tales como cromo y
molibdeno, hacen que la nariz del diagrama se mueva hacia la derecha,
incrementando así el tiempo en el cual puede ocurrir el endurecimiento. A
menudo, también se modifica la forma de la nariz. Estos cambios permiten
muchas veces disponer de un largo tiempo para que ocurra el temple. Es fácil ver
en el diagrama TTT cómo afecta la rapidez de enfriamiento a los aceros templados
en aceite (figura 17) y a los aceros templados en el aire (temple profundo). La
transformación a martensita depende ce tres factores:
1. Masa de la probeta
2. Severidad del temple
3. Templabilidad del material
El área de superficie de la probeta y el espesor tienen un efecto considerable en la
rapidez de enfriamiento. Una parte muy delgada, tal como una hoja de rasurar,
con una gran área de superficie, tendría una rapidez de enfriamiento que sería
muchas veces más grande que para un cubo de acero de 2 ó3 pulga. Por lo tanto,
un acero normalmente templado en agua, cuando es extremadamente pequeño o
delgado, es mejor templarlo en aceite para lograr la rapidez de enfriamiento
apropiada, mientras que el bloque de acero del mismo material, no logrará el
enfriamiento crítico ni en un temple severo de agua salada fría.
Normalmente, los aceros templados en agua se endurecerán sólo hasta una
profundidad de aproximadamente 1/8 de pulg mientras que el núcleo queda
bastante blando. Estos aceros se denominan aceros de temple superficial. Un
acero de 1 o 2 puIg de espesor enfriado al aire puede enfurecerse completamente
hasta el núcleo. Este es un acero de temple profundo. Al incrementarse el tiempo
en el cual ocurre el temple, se incrementa la profundidad del endurecimiento.
Cuando se utilizan velocidades drásticas de temple, tales como en salmuera o en
agua, los esfuerzos en la parte provocados por la rapidez de enfriamiento
diferentes del interior y el exterior de la parte pueden causar arqueo y
agrietamiento (figura 17). Los aceros templados en agua son particularmente
propensos a este problema. La rapidez menor de enfriamiento del aceite y del aire
permiten un enfriamiento más uniforme y, por ello, estos aceros se agrietan y
arquean menos. Por esta razón, cuando tengan que tratarse térmicamente
secciones grandes o pesadas, debe seleccionarse un acero aleado que pueda
templarse en aceite o en aire (figura 18)
Figura 18 El diseño de este dado de conformado, hecho de un acero para herramientas tipo Wi,
presenta un problema casi imposible para el técnico de tratamientos térmicos. Debido ala presencia de
los agujeros ciegos ya la delgada sección que separa uno de otro, el dado se fracturó durante el trata-
miento térmico. Al menos que se pueda rediseñar totalmente el dado, es imperativo usar un acero
templable en aire (Bethlehem Steel Corporation).
2.2.2 FACTOR DE ENFRIAMIENTO O TEMPLE
En las Figuras 19 y 20 se trazan pendientes para determinar los tiempos de
Cambio de estructura del Acero AISI 1045, el cual por sus propiedades 10 se toma
para los cálculos del Factor de Temple o Enfriamiento, 11 corroborando a su vez,
la velocidad crítica de Enfriamiento (200, 600) °C/seg. Los parámetros de cálculos
son: temperatura de temple (850 °C), puntos de la pendiente (700, 500) C° y
tiempo (segundos).
A.-14.51071.0500
88.534289.114.55007004289.110155.0700
12
12
=→
°=−−
=−−
=→
x
x
segC
xxyy
B.-183.1100733.0500
2105088.1183.1
500700088.1100366.070012
12
=→
°=−−
=−−
=→
x
x
segC
xxyy
C.-54.110188.0500
62.5431728.154.15007001728.1100696.0700
2
12
=→
°=−−
=−−
=→
x
x
segC
xxyy
D.-137.21033.0500
98.223252.1137.2
500700252.1100977.070012
12
=→
°=−−
=−−
=→
x
x
segC
xxyy
10 Tabla 2.1.2 Aceros para Temple y Revenido 11 HEAT TREATING,Sandra j. midea-George D Pfaffmann,Artículo”Simplified Property Predictions for AISI 1045 Based on Quench Factor Analysis, Página 292.
E.-35.1110055.1500
55.20618.135.11
500700618.110209.070012
12
=→
°=−−
=−−
=→
x
x
segC
xxyy
D.-525.1210097.1500
65.188042.1525.12
5007008042.1102563.070012
12
=→
°=−−
=−−
=→
x
x
segC
xxyy
Las Pendientes C y D están dentro del rango crítico de Velocidad de Enfriamiento,
el cual es de 200 a 600 °C/seg
2.3 CALCULOS DEL SISTEMA 2.3.1 CARGA TERMICA
Figura. 21 Diagrama de Refrigeración e Hidráulico
TvcTmcQ ∆=∆= ρ
Se evalúan las propiedades a KCCCTeTsTm °=°=°+°
=+
= 4404402
208602
Datos:
Ts = Temperatura con la cual, la pieza sale del horno
Te = “ del flujo convectivo, distante de la película hidrodinámica
Pieza Kgm 30=
AISI 1045
KKgJC
KmWK
mKg
°=
°== 5475.643474.407840 23ρ
( ) ( ) ( ) BTUJKKmJKgQ 1265.1537116217397208605475.64330 2 ==°−°
=
Volumen de agua
( )Flb
BTUCftlbCCTTvcTmcQ
°==°=°−=∆∆=∆= 14.62101525 3ρρ
( )
( ) ( ) ( )lft
FFlbBTU
ftlb
BTUTc
Qv 51.38768.131814.62
1265.15371 3
3
==°°
=∆
=ρ
Volumen recipiente
H = Altura.
B = Area base superior. b = Area base inferior
[ ].*3
bBbBhV ++=
lmV 45045.0 3 ==
Figura 22 2.3.2 CARGAS TERMICAS EN PAREDES
Datos:
Placa Metálica
FfthinBTUKinxAAcero
°== 2460
8136..
Aire
FfthBTUCCTmphVel
°=°== 24325.7
Aislante Térmico
inxFfthBTUCm
KgoPoliure 5.117.035:tan 3 =°==ρ 12
12 Roy J. Dossat, Tabla 10.4, página 196
Agua
FfthBTU
xKCFfth
inBTUKicahidrodinámcapainx°
==°
== 22 114.414.41 13
ifKx
Kx
fUTUAQ 111
2
2
1
1
0
+++=∆= 14
Q = Cantidad de calor transferida en BTU por hora.
A = Área de la superficie de la pared externa en pies cuadrados
U = Coeficiente total de transmisión de calor en BTU por hora por pié cuadrado por grado
Fahrenheit.
∆T = Diferencial de temperatura a través de la pared en grados Fahrenheit.
Paredes laterales y tapa superior
Figura 23 Diagrama de flujo de calor a través de las paredes y tapa superior
13 B.V. Karlekar R.M. Desmond,Apéndice E-1, página 755 14 Roy J. Dossat, Ec. 10-5, página 197
Aislante Térmico
Lamina de Acero
Ti
To
FfthBTIU
°==
+++= 210735.0
3153.91
14.41
460125.0
17.05.1
41
1
( ) ( ) ( ) 22 0486.04515.07.02
55.074.02
ftmmmhbBAlateral ==+
=+
=
( ) 22222 05894.05476.074.0 ftmmlAtapa ====
( )( ) 22 1944.00486.044 ftftAlateral == ( ) 2222 03256.03025.055.0 ftmlAbase ====
( ) FFT °=°−=∆ 6.21686.89
( ) ( ) ( ) hBTUFftFfth
BTUTUAQlaterales 4508.06.211944.010735.0 22 =°°
=∆=
( ) ( ) ( ) hBTUFftFfth
BTUQbase 0755.06.2103256.010735.0 22 =°°
=
( ) ( ) ( ) hBTUFftFfth
BTUQtapa 1321.06.2105894.010375.0 22 =°°
=
Q total = (0.4508+0.0755+0.1321) BTU/h = 0.6584 BTU/h
hBTU
hBTU
hBTUQQQ totalprobetaTOTAL 7849.153716584.01265.15371 =+=+=
2.3.3 SISTEMA HIDRAULIUCO
Figura 24 Diagrama Hidráulico
Figura 25 Circuito Hidráulico.
EvaporadorSucción
Descarga
10cm
10cm
57.5cm
20cm
Datos: Agua
FCT °=°= 6820
( )segPamsegN
segm
2326 10*02.110*02.1 −− == µν
Tubería PVC
mmminmin ernoparedrealalno 042.04.392126.10488.05.1 intmin ===== φφφφ
Rapidez de flujo de volumen:
( ) ( )Segl
segm
segftftseg
ftAVelQ 22.400422.01491.0
4
1378.010*
3322
=====π
min92.66min02533.3 galmQ ==
Rapidez de flujo de peso:
( ) ( ) min4798.2min2533.079.9*3
3KNm
mKNQW === γ
Rapidez de flujo de masa:
( ) min7934.252min2533.0998*3
3Kgm
mKgQM === ρ
Reynolds:
( ) ( )88.125505
10*02.1
042.0048.3***Re 26====
−
segm
msegm
DVelDVelνµ
ρ
Factor de fricción: Rugosidad absoluta PVC:
01735.0=f (Diagrama de Moody) 15 m610*5.1 −∈= 16
Rugosidad relativa: 56
10*57.3042.010*5.1 −
−
==∈
mm
D
2.3.3.1 PERDIDAS MENORES 17 18 Km = Coeficiente de pérdidas menores del accesorio.
Dos válvulas de compuerta: ( )( ) 32.0162 ==mK
Una válvula de verificación de bola (Caudalímetro): 1.7=mK
Una válvula de retención: 5.2=mK
Cuatro codos de 90°: ( )( ) 52.263.4 ==mK
∑ = 48.13mK
hm = Energía por unidad de peso, perdida en el accesorio.
Vel = Velocidad media del flujo en la tubería.
G = Aceleración de la gravedad.
( )( )
( )m
segmseg
m
gVelKh mm 383.6
81.92
048.348.13
2 2
2
2
=
==
hf = Pérdidas por fricción en las tuberías.
L = Longitud de la tubería.
15 MECANICA DE FLUIDOS APLICADA, Robert L. Mott, Págin 241 16 MECANICA DE FLUIDOS APLICADA, Robert L. Mott, Página 240 17 MECANICA DE FLUIDOS APLICADA, Robert L. Mott, Capítulo 10, Página 267 18 MINOR EN DISEÑO DE INGENIERIA, Módulo: Cálculo y Diseño de Tuberías
D = Diámetro interno de la tubería.
mmmhhh fmL 8207.74377.1383.6 =+=+=
Ecuación general de la energía:
p / γ = Cabeza de succión. Ζ = Cabeza de elevación.
V2 / 2g = Cabeza de velocidad. H = Cabeza total.
2
22
22
11
1
2VphH
gVp
L +Ζ+=−++Ζ+γγ
V2 / 2g: Es igual en la succión y en la descarga por lo tanto su diferencia es cero,
entonces queda la siguiente expresión:
( ) LhppH +Ζ−Ζ+
−= 12
12
γ pero hp *γ= entoces:
( ) ( ) ( ) →+−+−=+Ζ−Ζ+
−= mmmhhhH L 8207.7675.020.0.20.0675.012
12 γγ
H = 7.8207 m
( ) ( )( )
( )
( )m
segmseg
m
mm
gVel
DLfhf 4377.1
81.92
048.3
042.035.701735.0
2 2
2
2
=
==
2.3.3.2 POTENCIA DE LA BOMBA
η = Eficiencia mecánica de la bomba = 70% 19
P = Potencia de la bomba.
( ) ( ) ( ) Kwmsegm
mKNHQP 4615755.08207.700422.079.9
7.011 3
3 === γη
P = 0.618983 Hp 2.3.3.3 VELOCIDAD EN LA FLAUTA
Figura 26 Diagrama perimetral de la Flauta. 43 orificios
distribuidos en ¼ del perímetro a lo largo de 1.88 mts.
Pe = Perímetro del tubo.
De = Diámetro exterior del tubo.
Ao = Area orificio. Do = Diámetro orificio
( ) mmDP ee 1533.00488.0* === ππ 4
*2o
oDA π=
19 MECANICA DE FLUIDOS APLICADA, Robert L Mott, ,Página 202
0.1533 m
0.035 m
1.88 m
φ = ¼ in
0.0383 m
( ) ( )( )
( ) ( )orificiounPorsegft
segm
mseg
m
AQVelo
1799.4372524.13300635.0
400422.022
3
====π
Flauta:
Radio medio círculo interior = 20 cm
( ) cmcmDPe 66.12540* === ππ
Radio medio círculo exterior = 10 cm
( ) cmcmDPe 83.6220* === ππ
PeTotal = 188 cm Número de orificios de la flauta: Con la velocidad de flujo calculamos el número de orificios, entonces:
A = Area transversal del orificio.
Q = Rapidez de flujo de volumen
( )( ) ( )
( )orificiosx
mxseg
m
segm
AQV 43
00635.0400422.0
048.322
3
3=⇒=⇒=
π
Espacio entre orificios:
( ) ( )( ) cmcmcmDxPeEspaciadoespacios
5.345
00635.043188#
*=
−=
−=
2.3.3.3.1 TIEMPO DE CAMBIO TOTAL DEL AGUA:
Este cálculo se hace de dos formas: dividiendo el volumen del agua entre la
rapidez de flujo de volumen y utilizando el Tiempo de vaciado de depósitos 20
Volumen del agua entre la rapidez de flujo de volumen:
segsegl
lQV
t asgua 41.9022.4
5194.381===
t = 1min 30.41seg
Tiempo de vaciado de depósitos.
hAQ T−=
En el intervalo de tiempo dt, el pequeño volumen dv evacuado será Q dt. En el
mismo intervalo de tiempo, la altura de carga disminuirá dh y el volumen evacuado
será el área del depósito AT por dh, entonces queda:
dhAdtQ T−= 21
donde el signo negativo indica que h disminuye al aumentar t.
20 MECÁNICA DE LOS FLUIDOS E HIDRÁULICA, Schaun, Tercera edición, Página 281 21 MECÁNICA DE LOS FLUIDOS E HIDRÁULICA, Schaun, Tercera edición, Páginas 307-308
Figura 27
Por semejanza de triángulos se halla la dimensión C pero 90−= Cm entonces:
cmCcmcm
Ccm
cmcm
CcmC
cmcm
Cm 66.358
05.4030190
05.403090
05.4030
=⇒−=⇒=−
⇒=
luego, se puede expresar x en función de h para hallar el área transversal AT.
entonces por semejanza de triángulos nuevamente:
mhmx
cmhcmx
955.86866.2
66.35866.268
05.40+
=⇒+
= reemplazando x en AT, se tiene que
( )( )hhAxxxA TT +=
+
=⇒== − 6866.210*988.4955.8
6866.2442*2 22
2
268.66 cm
90 cm
x
dh
C
m 30 cm 30 cm
40.5 cm 40.5 cm
Siendo la rapidez de flujo de volumen Q = 0.00422 m3/seg, entonces se
reemplaza Q y AT en la ecuación
( ) ( )( ) dhhdtdhAdtQ T22 6866.210*988.400422.0 +−=⇒−= −
( )( ) ( ) ( )∫ ∫ +−=⇒+−=t
dhhdtdhhdt0
0
9.0
26866.282.116866.282.11 ⇒
( ) ( )∫ ∫ +=t
dhhdt0
9.0
0
26866.282.11 entonces integrando se tiene
( ) ( ) ( ) ( )[ ] ⇒++=
++= 243.01761.2496.682.11
36866.26866.282.11
9.0
0
322 hhht
( )( ) segt 37.1055191.882.11 ==
t = 1min 45.37seg
2.3.3.3.2 SOFTWARE DE HIDRAUICA DE TUBERIAS 22 Este Software permite hacer el cálculo de las perdidas por accesorio, por fricción
en las tuberías, la potencia requerida para impulsar el fluido, diámetro real y
comercial, caudal y velocidad de flujo; con ello le proporciona al Ingeniero
versatilidad, seguridad y confianza para el diseño. En las figuras 30, 31, 32 y 33
se presentan los resultados obtenidos con el software que comparados con los
cálculos hechos manualmente dan un error promedio del 10.29 %, lo cual es
22 MINOR EN DISEÑO DE INGENIERIA MECANICA 2003-2004,Módulo: Calculo y diseño de tuberías.
satisfactorio comparado con el 12 % de los parámetros normales en los casos de
cálculo con software.
Figura 28 Cuadro comparativo de variables
Figura 29 Logotipo del software de hidráulica de tuberías.
Variable Calculo manual Calculo software Error
Vel 3.048 m/seg 3.095 m/seg 1.5 %
Q 0.00422 m3/seg 0.006 m3/seg 30 %
Dnominal 1.5 in 2 in 25 %
Dinterno 0.042 m 0.05 m 16 %
H 7.8207 m 7.813 m -0.098 %
P 0.4616 Kw 0.4612 Kw -0.087 %
Re 125505.88 125171.085 -0.2675 %
Figura 30 Datos de Altas pérdidas menores Diseño de tuberia simples. Programa 5
Figura 31 Resultado de Altas pérdidas menores Diseño de tubería simples Programa 5
Figura 32 Datos Potencia tuberías simples. Programa 3
Figura 33 Resultado Potencia tuberías simples. Programa 3
CAPITULO III
3. CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO. 3.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO DE REFRIGERACION 23 Las Unidades Enfriadoras de Agua E15AE pertenecen a la familia EQUIPRAC de
Enfriadores de Agua, diseñados especialmente para el sector comercial (hoteles,
oficinas, centros) e industrial (plásticos, recubrimientos electro químicos). El
equipo se compone de dos elementos básicos: Una Unidad Condensadora
E1OAE, con características como ahorro de energía, bajo nivel de ruido, gran
calidad y versatilidad; Un Módulo de Enfriamiento de agua (AG). Los Enfriadores
E15AE, se caracterizan principalmente por:
• Ahorro de energía Están diseñados para trabajar con presiones de condensación reducidas,
mejorando de esta manera La eficiencia del compresor hasta en un 30%
frente a los convencionales. Esto significa mayor capacidad de enfriamiento
con un menor consumo de energía.
• Bajo nivel de ruido EQUIPRAC ha incorporado en este nuevo diseño características como
serpentines curvos con una mayor área de transferencia; ventiladores
axiales de bajas revoluciones y alta eficiencia; compresor instalado en com-
partimiento cerrado para evitar que el ruido se propague por fuera del
equipo; anillo de entrada del aire al equipo; flujo del aire a través del
serpentín a muy baja velocidad para incrementar La transferencia de calor y
reducir ruidos. 23 EQUIPRAC S.A., Manufacturera de Equipos para Refrigeración y Aire Acondicionado, Enfriador de Agua Serie E15AE.
• Calidad A diferencia de un Enfriador convencional de tipo industrial, el Enfriador de
Agua E15AE EQUIPRAC, ofrece una solución rápida, eficiente y acorde con
las necesidades del cliente. La inversión en un producto EQUIPRAC
garantiza la máxima rentabilidad tanto por el rendimiento y eficiencia, como
por el costo de operación y mantenimiento. La larga vida útil de los equipos
está asegurada por la calidad de los componentes, que combinada con las
partes piezas producidas en nuestra planta con maquinaria de alta
tecnología y personal con mis de 15 años de experiencia, garantizan su
inversión.
• Versatilidad Los módulos evaporadores AG (Enfriadores de Agua) se producen en tamaños de 36.000, 42.000, 48.000, 60.000 BTU/H. Las Condensadoras
E1OAE son fabricadas en tamaños desde 12.000 hasta 60.000 BTU/H. Por
razones comerciales, EQUIPRAC combina estas unidades, en los
Enfriadores de Agua E15AE, a partir del tamaño 036. Los Enfriadores de
Agua E15AE (Condensadoras E1OEA + Módulo AG) pueden ordenarse con
accesorios adicionales. (Según “Accesorios”). Los 15AE pueden ser
conectados paralelamente con excelentes resultados si se requiere
multiplicar vanas veces su Capacidad. A demás de lo anterior, si se instalan
sobre la fachada de una planta de producción, prestan en forma simultánea
los servicios de Enfriamiento de Agua, Extracción y Ventilación de esta
área.
• Servicio EQUIPRAC S.A., a través de una amplia red de instaladores o directamente
desde la fábrica, garantiza el suministro de repuestos originales y
accesorios para sus equipos.
3.1 .1 COMPONENTES Ventiladores Axiales: Balanceados estática y dinámicamente, garantizando un
mínimo nivel de ruido.
Motores totalmente cerrados: Evitan la entrada de polvo o agua. Las bajas
revoluciones garantizan su larga vida.
Compresores Herméticos: Fabricados por proveedores reconocidos
mundialmente. Garantizan máxima eficiencia con un mínimo consumo de energía.
Evaporadores tubo-tubo: Sistema tubo-tubo (acero-cobre) de alta eficiencia. Su
diseño permite trabajar con bajos caudales de agua y poca calda de presión,
generando un significativo ahorro de la energía que consume la motobomba del
sistema de agua para condensación.
Circuitos eléctricos: Completo sistema eléctrico con circuitos de controles y de
protección probados en fábrica, que establecen otra diferencia entre las unidades
EQUIPRAC y las demás marcas.
Válvulas de Servicio: Para conectar no es necesario destapar la Unidad ya que
sus válvulas son externas.
Serpentín Curvo: De alta eficiencia. Con aletas de aluminio, opcionalmente de
cobre, y tubos de cobre expandidos mecánicamente para garantizar una máxima
transferencia de calor.
Mueble: En lámina galvanizada con pintura en polvo horneada.
Figura 34. Enfriador de agua E15AE
Figura 35. Cotas del equipo.
3.1.2 DIMENSIONES
Figura 36. Dimensiones del equipo.
Figura 37. Características Técnicas.
3.1.3 CARACTERISTICAS TECNICAS
3.1.4 CAPACIDADES Y CONSUMO DE ENERGIA
Tabla 3. Capacidades y Consumo de Energía.
Accesorios Todos los equipos se entregan con:
• Relé de Arranque Compresor
• Capacitor Arranque Compresor
• Capacitor marcha compresor
• Capacitor motor ventilador
• Presóstato de alta y baja
• Contactor
• Relé de Tiempo
• Borne a tierra
• Resistencia de carter
Las unidades 060 trifásica no necesitan relé de arranque, capacitor de arranque y
capacitor de marcha del compresor. Para las unidades 036 la resistencia del carter
es opcional. Accesorios opcionales para todas las unidades:
• Control electromecánico o electrónico de temperatura
• Juego de rodachines
• Motobomba
• Accesorios de ensamble (tubería de cobre, mirilla, filtro secador).
3.1.5 SELECCIÓN DEL TAMAÑO DEL EQUIPO Para conocer el tamaño del equipo en toneladas de refrigeración, se efectúa una
extrapolación con los datos de la figura, en razón de la ausencia del catalogo
correspondiente a la capacidad requerida. Los datos de entrada a tabla son:
• Temperatura del aire entrando al condensador = 85ºF.
• Temperatura de salida del agua = 46ºF.
• La Capacidad requerida = 16 (1000 BTU/Hr).
TAMAÑO (X) CAPACIDAD (Y)
X´ 15.37
36 34.58
42 41.20
Realizando la extrapolación: X´= 15.83; sabemos que comercialmente se
consiguen equipos de 18000 BTU (1.5 TON de refrigeración), se itera con este
valor para conocer la capacidad disponible, Y´=17.48 (1000 BTU/Hr).
El equipo seleccionado es de 18000 BTU (1.5 TON de refrigeración), que
brinda una capacidad disponible de 17480 BTU/Hr.
Este equipo por tener características especiales (compresor multietapa), se solicita
a EQUIPRAC S.A. sujeto a especificaciones de diseño.
CAPITULO IV.
4. ANALISIS DE ESTRUCTURA (ANSYS). 4.1 FUERZA HIDROSTATICA SOBRE LAS PAREDES DEL RECIPIENTE. 24
Figura 38. Fuerzas en las paredes del recipiente
La fuerza F ejercida por un líquido sobre un área A plana es igual al producto del
peso específico γ del líquido por la profundidad hcg del centro de gravedad de la
superficie y por el área de la misma.
24 MECANICADE LOS FLUIDOS E HIDRAULICA, Schaum, Tercera edición, Capitulo 3, Página 40
FF
La ecuación es: AhF cgγ=
Se observa que el producto del peso específico γ por la profundidad del centro de
gravedad de la superficie es igual a la presión en el centro de gravedad del área.
La línea de acción de la fuerza pasa por el centro de presión, que se localiza
mediante la formula:
cgcg
cgcp y
AyI
y +=
donde Icg es el momento de inercia del área respecto a un eje que pasa por su
centro de gravedad (véase figura 35). Las distancias y se miden a lo largo del
plano y a partir de un eje determinado por la intersección del plano que contiene la
superficie y de la superficie libre del liquido.
Figura 39. Centroides de figuras básicas en hidráulicas
4.1.1 CALCULO DE LA PRESION EL LAS PAREDES DEL RECIPIENTE
Figura 40. Geometría de la pared del recipiente
DIMENSIONES AREAS PRODUCTO
Figura H B Ya cm. Cm2 IBA cm3
1 10.5 90 30 472.5 14175
2 60 90 45 5400 243000
3 10.5 90 30 472.5 14175
∑ 6345 271350
Tabla 4. Datos para el cálculo del centro de gravedad.
cmAA
766.426345
2713501
=Υ⇒=Υ
=Υ∑∑
90 cm
60 cm
81 cm O
1 2 3cg
x
x’
1 3
2
60 cm
90 cm
90 cm
10.5 cm
se procede al cálculo de los momentos de inercia de cada elemento y la suma de
estos es el momento de inercia de la pared del recipiente.
321 IIIIcg ++=
( )( )
( )( ) 41
33
2
431
33
31
162000012
609012
0625.289436
5.109036
cmIbhI
cmIIbhII
=⇒==
==⇒===
4125.1625788 cmIcg =
Figura 41. Triangulo representativo
Centro de presión medido verticalmente:
( )( )cmy
yyAy
Iy
cp
cpcgcg
cgcp
76.48
766.426345766.42125.1625788
=
+=⇒+=
α
θ
°=+−=
°=
35.83)65.390(180
65.6
θθα
OM
ycp
M
Centro de presión medido sobre el plano M-M:
( )
cmy
sensen
yyAy
Iy
cp
cpcgcg
cgcp
49
35.83766.42
634535.83766.42
125.1625788
=
°+
°
=⇒+=
por lo tanto la presión en la pared será la fuerza que ejerce el fluido por unidad de
área:
( ) ( )
.6072.0
1868.4
42766.079.9
2
3
psiPm
KNP
mmKN
AFPAhF cg
=
=
==⇒= γ
4.2 ANALISIS ESTRUCTURAL DEL RECIPIENTE MEDIANTE EL SOFTWARE ANSYS 5.5 ANSYS es un programa de “Uso General”, incluye muchas capacidades generales
tales como funciones de preprocesador, soluciones postprocesador, gráficos,
modelado parametrico y utilidades que facilitan el uso del programa. La utilización
de este software para la simulación de diseños se basa en el uso de prototipos
virtuales en un proceso de desarrollo de producto, el cual ayuda a minimizar los
costos y mejorar el tiempo para concretar el diseño de un producto. Con el ANSYS
se puede determinar el real comportamiento de diferentes campos, por ejemplo:
estructurales, térmicos, electromagnéticos y la conducta de fluido-flujo en 3-D,
este programa puede ayudar a simular incluso los efectos de físicas múltiples
cuando ellos se acoplan juntos con alta exactitud y fiabilidad.
Se efectuará una simulación del comportamiento estructural del recipiente de
agua, con la finalidad de verificar los esfuerzos debido a la presión del líquido
ejercida sobre las paredes y compararlos con el esfuerzo de fluencia del material
(Acero ASTM-A36 estructural); con las siguientes figuras se mostrara la secuencia
de la simulación y los esfuerzos calculados por el programa.
Figura 42. Elemento importado de Solid Edge.
4.2.1 ENMALLADO Se realiza el enmallado (divisiones por triángulos del elemento) del recipiente.
Figura 43. Enmallado de la geometría.
4.2.2 APLICACIÓN DE CARGAS Se aplica una presión al área de las paredes del recipiente con valor de 4186.498
Pa (0.6072 psi).
Figura 44. Aplicación de presión en las paredes.
4.2.3 SOLUCION Se mostrarán los esfuerzos principales en cada eje coordenado.
Figura 45. Esfuerzos Principales en el eje X.
Figura 46. Esfuerzos Principales en el eje Y.
Figura 47. Esfuerzos principales en el eje Z.
En el siguiente cuadro se aprecian los valores máximos y mínimos para cada eje.
Eje SMAX. (Pa) SMIN (Pa)
X 0.109x109 -0.585x107
Y 0.455x108 -0.483x108
Z 0.596x107 -0.100x109
Se observa que el mayor esfuerzo se produce en el eje X, con un valor de 109x106
Pa (15809.11 psi), el cual es menor comparado con el valor del esfuerzo de
fluencia en tensión (36 Ksi) 25 para el acero estructural ASTM-A36, que es el
material del recipiente.
25 MECANICA DE MATERIALES, Ferdinand P. Beer, Russell Johnston, Jr. Apéndice B, Pagina 698.
CONCLUSION
• En la medida que se incrementa el contenido de carbono la curva de la
nariz austenitica se mueve a la derecha, esto quiere decir que el tiempo
para que ocurra la transformación se incrementa, además, el tamaño
del grano afecta la templabilidad lo cual determina la profundidad y la
distribución de la dureza inducida en el temple de una aleación ferroza,
es más, los aceros de granos mas grande aumentan el tiempo de
transformación, lo anterior conlleva a que la curva S (nariz austenitica)
se desplace hacia la derecha.
• Es necesario mantener la temperatura del medio enfriante, en el caso
particular la temperatura del agua, puesto que a medida que se
incrementa la temperatura en el fluido, este pierde capacidad de
absorción de calor, por ende disminuye la rata de enfriamiento y
provoca la formación de estructuras no deseadas en el acero; en virtud
a ello los controles de temperatura, son de vital importancia, ya que de
sobrepasar y permanecer por mucho tiempo sobre una temperatura
bastante alejada de la temperatura de austenización, se ocasionarían
daños irreversibles en el material.
• Los tratamientos térmicos permiten conseguir diferentes grados de
dureza en un mismo acero a partir del control de variables como
temperatura (Ej.: temperatura de austenización), tiempo de
sostenimiento en el horno, medio de enfriamiento (Ej.: agua helada) y
velocidad de enfriamiento.
• Con la implementación del sistema de recirculación del agua se logra
una convección forzada, la cual incrementa la transferencia de calor del
material hacia el medio convectivo, contribuyendo en gran medida a la
consecución del objetivo principal del sistema que es retirar en el menor
tiempo posible el calor del elemento.
• Para aumentar el rango de aplicabilidad del sistema, se seleccionaron
componentes que permiten modificar las variables de funcionamiento
en el sentido de utilizar un compresor multietapa (sistema de
refrigeración) y un caudalimetro (sistema hidráulico) que en conjunto
aumentan o disminuyen la capacidad de refrigeración y el caudal, para
que sea posible templar piezas con menor o mayor masa, partiendo de
los treinta kilogramos de acero de medio carbono y baja aleación.
• La lamina de acero estructural ASTM-A36 de 1/8 pulg. de espesor,
utilizada en el diseño del recipiente, cumple con las especificaciones
estructurales para las condiciones de carga debido a la presión del
agua, puesto que su resistencia última a tensión (36Ksi) es
aproximadamente el doble que la resultante del esfuerzo arrojado por la
simulación de ANSYS 5.5 (15809.11psi); ello quiere decir, que el factor
de seguridad es de 2.28.
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